Optical spectroscopy and cavity QED experiments with Rydberg atoms [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Pierre Thoumany

Optical Spectroscopy
And
Cavity QED Experiments
With
Rydberg Atoms
Pierre Thoumany
Munc hen, 2011iiOptical Spectroscopy
And
Cavity QED Experiments
With
Rydberg Atoms
Dissertation
der Fakult at fur Physik
Ludwig-Maximilians-Universit at Munc hen
vorgelegt von
Pierre Thoumany
aus Gif sur Yvette, Frankreich
Munc hen, Februar 2011ii
Supervisor ( rst referee): Professor Dr. Theodor W. H ansch
Second referee: Dr. Wolfgang Lange
Examination date: 07.04.2011Zusammenfassung
In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal die Wechselwirkung zwischen Atomen
im Grundzustand eines Zwei-Niveau-Systems und dem quantisierten thermi-
schen Feld eines MW-Resonators untersucht werden.
Der Ein-Atom-Maser, oder Mikromaser, ist ein einzigartiges physikalisches
System fur die Untersuchung von Quanten-Aspekten der Wechselwirkung von
85Strahlung und Materie. Ein Zwei-Niveau-System von Rb Rydberg-Atomen
koppelt an ein einzelne Mode eines Mikrowellen Resonators mit einer hohen
Gute. Durch die gro en Dipol-Matrix-Elemente der einzelnen Rydberg-Atome
10und den supraleitenden Mikrowellenresonator mit einem Gute von 10 kann
der Bereich der starken Kopplung erreicht werden und die koh arente Wechsel-
wirkung zwischen dem atomaren Zwei-Niveau-System und dem Resonatorfeld
ist dominant. Daher ist die Beobachtung von Rabi Oszillationen und die Pro-
duktion von nichtklassischen Feld Zust anden m oglich was auch in dieser Arbeit
gezeigt werden konnte.
Bisherige Mikromaser Experimente zeigten einige Widerspruc hlichkeiten
zwischen der theoretischen Vorhersage und den Messergebnissen. Insbeson-
dere bei tiefen Temperaturen war der beobachte Kontrast geringer als der the-
oretisch erwartete Kontrast. Eine m ogliche Erkl arung hierfur ist eine h ohere
Temperatur des Resonatorfeldes. Indirekte Temperatur Messungen an den
Resonatorw anden sind durch externe Halbleiter-Temperatursensoren durchge-
fuhrt worden. Allerdings konnte keine direkte Temperaturmessung des Felds
unterhalb 1K realisiert werden. Die experimentelle Realisierung von Rabi-
Oszillationen zwischen dem Grundzustand des Zwei-Niveau-Systems und den
quantisierten thermischen Resonatorfeld gibt eine direkte Messung der Feld-
statistik und die Resonatorfeld Temperatur kann extrahiert werden. In dieser
Arbeit werden zum ersten Mal Experimente mit den Rydberg Zustand 61D5=2
realisiert und koh arente Wechselwirkung wird gezeigt. Fur eine hohe Zahl in
den Resonator injizierter Atome konnten erste Maserlinien in dieser Kon g-
uration beobachtet werden. Bei einer niedrigen Injektionsrate, werden Rabi-
Oszillationen mit hohem Kontrast beobachtet. Diese Messungen zeigen, dass
die Feldtemperatur etwas h oher ist als die Temperatur der Resonatorw ande.
Zur Pr aparation Atome in der Rydberg Zustand 61 D wurde ein neues5=2
iiiiv
Laser-System entwickelt. Die Atome werden aus dem Grundzustand in den
Rydberg-Zustand mit einem zweistu gen Diodenlaser Kaskaden Aufbau bei
780 nm und 480 nm angeregt. Die Umsetzung dieses neuen Lasersystems fuhrte
zur Entwicklung einer neuen Frequenzstabilisierungs Technik. Diese Arbeit
stellt eine neue Methode der Doppler-freien, rein optischen Spektroskopie von
Rb Rydberg-Zust anden in einer Gaszelle bei Raumtemperatur- vor. Diese neue
Methode wird dann in der Spektroskopie fur verschiedene Anregungsschemata
verwendet. Die Anregung von Rydberg-Zust anden wird durch Beobachtung
der Absorption des 780 nm Diodenlasers auf den starkenRb D2-Linie gemessen,
in einem Schema, das Ahnlichkeiten zur Technik des Elektron-Schelving aufweist.
Laserspektroskopie von Rydberg-Uberg angen wird gezeigt und damit werden
die verschiedenen Lasersysteme frequenzstabilisiert, die die Rydberg-Uberg ange
in dem Mikromaser Experiment anregen. Es konnte die Qualit at dieser Sta-
bilisierung mit einer Atomstrahl Vorrichtung und einem Flugzeit Experiment
gemessen werden. Durch die Verwendung unterschiedlicher Laser Polarisa-
tionen wird auch die Anregung eines einzelnen Rydberg Hyperfein Zustandes
demonstriert.Abstract
This thesis reports experiments on the interaction between a two-level atomic
system and a single mode of the radiation eld of a cavity. The interaction
between atoms prepared in the ground state of the two-level atomic system
and the quantized thermal cavity eld is investigated for the rst time in this
con guration.
The One-Atom Maser, or Micromaser, is a unique tool for the investigation
of quantum aspects of the interaction of radiation and matter. A two-level
85atomic system of Rb Rydberg atoms is interacting with a microwave single
mode of a high Q cavity. The large dipole matrix-elements of single Rydberg
atoms and a superconducting microwave cavity with a Q-factor on the order
10of 10 achieve the strong coupling regime and coherent interaction between
the two-level Rydberg atomic system and the cavity eld is dominant. The
observation of Rabi oscillations and the production of nonclassical eld states
are, therefore, possible and will be shown in this work.
In the latest Micromaser experiments, the Rabi oscillations, so far mea-
sured, exhibit inconsistencies with the theoretical prediction, with a rather
low observed contrast. One possible explanation is attributed to higher eld
temperature. Indirect temperature measurements of the cavity wall are per-
formed by means of external semi-conductors temperature sensors. However
no direct eld temperature measurements below 1K have been realized yet.
The experimental realization of Rabi-oscillations between the ground state of
the two-level atomic system and the quantized thermal cavity eld at the sin-
gle photon level gives a direct measurement of the eld statistic and the cavity
eld temperature can be extracted. In this work, experiments with the Ry-
dberg state, 61D are realized for the rst time. The coherent interaction5=2
is demonstrated for both a high atomic pumping leading to the measurement
of the rst maserlines in this con guration, and a low atomic injection rate,
observing Rabi-oscillations with high contrast. These measurements show a
slightly higher eld temperature than the cavity wall temperature.
To prepare atoms into the Rydberg state 61D , a new laser system has5=2
been developed. The atoms are excited from the ground state into the Rydberg
state with a two-step diode laser cascade setup at 780 nm and 480 nm. The
vvi
implementation of this new laser system led to the development of a new
frequency locking scheme. This thesis presents a new method of Doppler-
free, purely optical spectroscopy of Rb Rydberg states in a room-temperature
gas cell. This new spectroscopy method is then used for di erent excitation
schemes. The excitation of Rydberg states is monitored by observing the
absorption of the 780 nm diode laser locked on the strong Rb D2 line, in a
scheme similar to electron shelving. Laser spectroscopy of Rydberg transition
is demonstrated and the frequency stabilization of the di erent laser systems
exciting the Rydberg states used in the Micromaser experiment is achieved. We
measure the performance of this stabilization with an atomic beam apparatus
and a time of ight experiment. Also, using di erent polarization schemes, the
excitation of a single Rydberg hyper ne state is demonstrated.Contents
1 Introduction 1
2 Theory 7
2.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 The Jaynes-Cummings model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Micromaser Dynamics and Master Equation . . . . . . . . . . . 16
3 Experimental Setup 23
3.1 Atomic Beam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Rydberg Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4 Cryogenic Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4 Experiments with Maser Ground State Atoms 53
4.1 Magnetic Field Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 Stark E ect and Velocity Selection by Doppler E ect . . . . . . 58
4.3 Maser Line with Ground State Atoms . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Rabi Oscillations with a Quantized Thermal Field . . . . . . . . 67
5 Optical Spectroscopy of Rydberg Atoms 71
5.1 Weak Transition Detection by Electron Shelving . . . . . . . . 72
5.2 Non-Destructive Spectroscopy of Rydberg Atoms . . . . . . . . 76
5.3 Applications to the Micromaser Experiment . . . . . . . . . . . 84
6 Quantum Trajectories 89
6.1 QTM applied to the Micromaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 Micromaser Linewidth and the Phase Di usion . . . . . . . . . . 96
6.3 Ramsey Interferences in a Toroidal Cavity . . . . . . . . . . . . 100
Outlook 107
Bibliography 109
viiviii CONTENTS