Multimode strong coupling of cold atoms to a fiber ring resonator including a nanofiber-based optical interface

Abstract

In den letzten Jahrzehnten wurde ein besonderer Forschungsschwerpunkt auf die Realisierung der starken Wechselwirkung zwischen optischen Emittern und dem elektromagnetischen Feld innerhalb eines Resonators gelegt, deren Beschreibung als Resonator-Quantenelektrodynamik (QED) bezeichnet wird.In dieser Arbeit wird ein neuartiger Bereich der Resonator-QED untersucht, bei dem das gekoppelte Atom-Resonator System in das - den meisten etablierten Experimenten dieses Forschungsfeldes vorenthaltene - Regime der multimodalen starken Wechselwirkung vordringt.Im Zentrum der präsentierten Arbeit steht ein neuer experimenteller Aufbau, der darauf ausgelegt ist, ein lasergekühltes Ensemble von Atomen an das Feld eines langen Faser-Ringresonators via integrierter optischer Nanofaser zu koppeln.Ab einer passenden Anzahl gekoppelten Atomen tritt unser System in das Regime der multimodalen starken Kopplung ein, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Atom-Resonator Kopplungsstärke den freie Spektralbereich des Resonators übersteigt und die Atome gleichzeitig an mehrere longitudinale Resonatormoden koppeln.Des Weiteren entwickelten wir einen theoretischen Formalismus auf Basis des Photonentransports, der uns erlaubt unser System, welches an der Grenze zwischen Wellenleiter- und Resonator-QED arbeitet, zu beschreiben.Die explizite Berücksichtigung eines ortsabhängigen Resonatorfeldes und die Nichtbeschränkung auf eine einzelne longitudinale Mode des Resonators ermöglicht uns eine theoretische Vorhersage für den stationären Zustand unseres Systems zu berechnen. Insbesondere kann unser Model Effekte der starken Multimoden-Atom-Resonator Wechselwirkung quantifizieren, die bereits außerhalb des Gültigkeitsbereichs der etablierten Jaynes- und Tavis-Cummings-Modelle liegen, jene Modelle, die üblicherweise zur Beschreibung der Resonator-QED verwendet werden.Unsere experimentell bestimmten Transmissionsspektren des gekoppelten Atom-Resonator Systems zeigen eine Normalmodenaufspaltung, die den freien Spektralbereich des Resonators überschreitet. Dies ist ein klarer Beweis dafür in das Regime der multimodalen starken Kopplung vorgedrungen zu sein. Die gemessenen Spektren stimmen gut mit unseren theoretischen Vorhersagen aus dem in dieser Arbeit abgeleiteten Modell überein.Damit ist gezeigt, dass sich sowohl unsere theoretischen als auch experimentellen Ergebnisse qualitativ von denen des Tavis-Cummings-Modells unterscheiden und den Weg für weitere Untersuchungen der Licht-Materie Wechselwirkung im Regime der multimodalen starken Kopplung öffnen. Darüber hinaus kann unsere Beschreibung als Alternative zur genauen Beschreibung der starken Kopplung für Systeme dienen, in denen das Resonatorfeld bereits in einem Durchgang signifikant verändert wird und somit, mit seiner für die Wellenleiter-QED üblichen Terminologie, einen neuen Blickwinkel zum Verständnis der starken Kopplung eröffnen.

In recent decades, a special research focus was laid on the realization of strong interaction between optical emitters and the confined electromagnetic field inside a resonator, coined as cavity quantum electro dynamics (QED). In the context of this thesis, a novel regime of cavity QED was investigated, where the coupled atom--cavity system operates in a regime inaccessible to most established cavity setups, the multimode strong coupling regime. During the thesis, an experimental apparatus was set up, that is designed to strongly couple an ensemble of atoms to a long fiber ring resonator featuring an integrated optical nanofiber for interfacing the resonator field with laser-cooled atoms. For sufficiently large atom numbers our system enters the regime of multimode strong coupling. Here, the atom--resonator coupling strength is larger than the free spectral range of the resonator and the atoms will simultaneously couple to several longitudinal resonator modes. Alongside the experimental realization, we developed a theoretical formalism based on photon transport, that allows us to describe our experimental system that, being a long fiber ring resonator, operates at the boundary between waveguide and cavity QED. With the explicit consideration of a position dependent cavity field and not restricting our description to a single longitudinal mode of the resonator, we could calculate a theoretical prediction for the steady state of our resonator. Furthermore, it enables us to quantify the effects of multimode strong atom--resonator interaction, well outside the scope of validity of the established Jaynes- and Tavis-Cummings models, that are typically used to describe cavity QED. In the experiment, we measured the transmission spectra of the coupled atom--resonator system, that show a normal-mode splitting exceeding the free spectral range of the resonator, a clear evidence that we entered the multimode strong coupling regime. Moreover, the measured spectra agree well with the theoretical predictions from the model derived in the thesis. Both, our theoretical and experimental findings differ qualitatively from that of the Tavis-Cummings model and could open the way to further investigations of light-matter interaction in the regime of multimode strong coupling. Moreover, our description can serve as an alternative to the established description of strong coupling, especially for systems in which the resonator field is significantly changed in a single roundtrip, and thus, with its terminology common to waveguide QED, open a new perspective for a better understanding of strong light-matter interaction.