Coupling a single trapped atom to a whispering-gallery-mode microresonator

Abstract

Die Wechselwirkung zwischen einzelnen Atomen und einzelnen Photonen kann wesentlich verstärkt werden, indem man die Photonen in einen Mikroresonator mit hohem Gütefaktor ”einsperrt” und die Atome an die Resonatormode koppelt. Dieser Ansatz ist das grundlegende Konzept der Resonator-Quantenelektrodynamik und ist Voraussetzung für viele Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung und Quantentechnologie. Flüstergaleriemoden-Mikroresonatoren sind in dieser Hinsicht besonders interessant, da sie mit optischer Chip-Technologie kompatibel sind und in ihnen eine chirale, d.h. propagationsrichtungs-abhängige, Licht-Materie-Wechselwirkung auftritt. Dies ermöglicht die Implementierung neuartiger Protokolle für die Verarbeitung von Lichtsignalen auf der Quantenebene. Voraussetzung für deterministische Quantenprotokolle ist eine stabile und kontrollierte Atom–Resonator-Wechselwirkung. Dazu muss das Atom in der Resonatormode räumlich fixiert werden. In der Resonator-Quantenelektrodynamik mit optischen Fabry-Pérot-Resonatoren ist das Fangen von einzelnen Atomen eine etablierte Methode. Im Fall von Flüstergaleriemoden-Resonatoren ist dies jedoch bisher nicht gelungen. Die vorliegende Arbeit präsentiert die erste experimentelle Realisierung einer starken Kopplung zwischen einem einzelnen gefangenen Atom und einem Flüstergaleriemoden-Resonator. Um einzelne Rubidium-Atome nahe der Oberfläche eines solchen Resonators zu fangen, verwenden wir einen rot-verstimmten stark fokussierten Lichtstrahl, der an der Resonatoroberfläche reflektiert wird. Dadurch entsteht entlang der Strahlachse eine optische Stehwellen-Falle, deren erstes Potentialminimum in einem Abstand von etwa 200 nm zur Resonatoroberfläche liegt. Wir detektieren Atome in der Falle durch die Registrierung von Fluoreszensphotonen und alternativ durch die Modifikation des Resonator-Lichtfelds. Zur Charakterisierung der einzelnen gefangenen Atome, messen wir deren mittlere Lebensdauer und Temperatur in der Falle. Das Fallenlicht induziert eine positionsabhängige Verschiebung der atomaren Übergangsfrequenz, die das Atom bezüglich der Resonatormode verstimmt. Um diese Verschiebung rückgängig zu machen, setzen wir im Experiment eine Zweifarben-Kompensationsmethode ein, bei der der Fallenstrahl mit einem zweiten Laserstrahl räumlich überlagert wird. Die Parameter des zweiten Laserstrahls sind so gewählt, dass er die Energie des angeregten Zustands so weit reduziert, dass der atomare Übergang wieder seine ursprüngliche Frequenz erhält. Wir zeigen schließlich, durch Messung eines Vakuum-Rabisplittings im Anregungsspektrum des gekoppelten Systems, dass wir das Regime der starken Licht-Atom-Wechselwirkung mit einem gefangenen Atom erreichen. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt dar, um in Zukunft das volle Potential dieser Resonatorklasse nutzen zu können. Dies ist, insbesondere im Hinblick auf die Wichtigkeit der chiralen Atom-Licht-Kopplung, sowohl für Grundlagenforschung als auch die Entwicklung optischer Quantentechnologien relevant.

The interaction between single atoms and single photons can be significantly enhanced by strongly confining the photons inside a microresonator with high quality factor, and by coupling the atoms to the resonator mode. This approach lies at the heart of cavity quantum electrodynamics, and it is an essential ingredient for many applications in quantum information science and technology. Whispering-gallery-mode microresonators are particularly interesting in this regard, as they are compatible with integration on optical chips and offer chiral, i.e. propagation direction-dependent, light-matter interaction, which enables novel protocols for processing light on the quantum level. In order to achieve a stable and controlled interaction - a crucial prerequisite for deterministically operating quantum protocols - the atom has to be localized in the resonator mode. While atom trapping is an established technique in cavity quantum electrodynamics with optical Fabry-Pérot cavities, it has so far not been demonstrated with whispering-gallery-mode resonators. In this thesis, I present the first realization of strong coupling between a trapped single atom and a whispering-gallery-mode microresonator. In order to trap single rubidium atoms close to such a resonator, we employ a red-detuned tightly focused laser beam, which is retroreflected from the resonator surface. This creates a standing-wave optical dipole trap along the beam axis, with the first potential minimum being located at a distance of about 200 nm from the resonator surface. We detect an atom in the trap via the observation of fluorescence photons or by the modification of the resonator field. To characterize the single trapped atoms, we measure their average lifetime and temperature in the trap. The trap light induces a position-dependent light shift, which detunes the atomic transition frequency from the resonator mode. In order to counteract this shift we employ a two-color light shift compensation scheme, in which the trapping beam is superimposed with a second laser beam. The parameters of this additional laser beam are chosen such that it reduces the excited state energy of the atom until the unperturbed transition frequency is recovered. We demonstrate that we reach the strong coupling regime of cavity quantum electrodynamics with a trapped atom by measuring a vacuum Rabi splitting in the excitation spectrum of the coupled system. The results presented in this thesis are a crucial step toward harnessing the full potential of this class of resonators, thereby making strong chiral atom-light coupling available for fundamental research and applications in optical quantum technologies.