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Cavity QED at the One-Dimensional Atom Regime with Chip-Based Micro-Resonators

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Ein neues System für QED in Kavitäten

Das Einfangen von Atomen in winzigen Strukturen mit lichtspiegelnden Wänden (Resonatoren) stellt einen Versuchsaufbau zur Erforschung der Licht-Materie-Wechselwirkung auf Quantenebene dar. EU-geförderte Wissenschaftler haben auf diesem Gebiet Neuland betreten.

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Die Kavitäten begrenzen die Wellenlänge der Photonen, die von Atomen emittiert oder absorbiert werden. Das Verhalten gefangener angeregter Atome bietet wichtige Erkenntnisse zu den Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie, einem Phänomen, das sowohl in der klassischen Mechanik als auch in der Quantenmechanik eine Rolle spielt. Die Cavity-Quantenelektrodynamik (QED) ist zu einem bedeutenden Forschungsbereich aufgestiegen. Ein tieferes Verständnis wird zu einem wissensbasierten Konzept für Anwendungen in der Quanteninformatik und für den Quantenspeicher führen. Im EU-finanzierten Projekt "Cavity QED at the one-dimensional atom regime with chip-based micro-resonators" (CQODAR) wurde ein völlig neues Cavity-QED-System entwickelt. Das System verbindet über eine konische Glasfaser einzelne ultrakalte Atome mit chipbasierten Mikrotorusresonatoren. Dies hat ein bedeutsames Beobachtungsfenster für die Wechselwirkung zwischen einzelnen Atomen und einzelnen Photonen eröffnet. Dabei lag der Fokus auf der Wechselwirkung zwischen Photonen. Die hoch fortschrittliche Einrichtung kann unterkühlte Atome aus einer magneto-optischen Falle in bis zu 200 Nanometer Nähe der Torus-Oberfläche liefern. Die Wissenschaftler nutzten faserbasierte elektro-optische Modulatoren und elektronische Ausstattung bei mehr als fünf Gigahertz. Somit konnten Sie die Präsenz eines Atoms und emittierte einzelne Photonen innerhalb von circa zwei Mikrosekunden erkennen. Dies ist schneller als bei einer herkömmlichen Atom-Transit-Dauer. Die Forscher führten eine ausführliche theoretische Untersuchung durch, die in "Physical Review A: Atomic, Molecular and Optical Physic" erschien. Sie bildete die Grundlage von zwei neuen Experimenten: optische Katastrophen (geometrische Singularitäten in Strahlenmustern) und spontane Emission eines einzelnen Atoms. Das letztere wurde in "Physical Review Letters" veröffentlicht. Das CQODAR-Team entwickelte einen hochmodernen Versuchsaufbau. Das Ergebnis ist, dass eine perfekte Steuerung einzelner ultrakalter Atome möglich ist, um das Verhalten und die Eigenschaften einzelner emittierter Photonen zu bestimmen. Es wird erwartet, dass die Technologie einen unschätzbaren Beitrag zu einem tieferen Verständnis der Quanten-Wechselwirkung zwischen Materie und Licht leisten wird.

Schlüsselbegriffe

Atome, Resonatoren, Quant, Kavitäten, Photonen, Licht, Materie, QED, ultrakalt, Mikrotorus, magneto-optische Falle, optische Katastrophen

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