Cavity quantum electrodynamics with non-transversal photons

Abstract

Licht wird im Normalfall als transversale Welle beschrieben, bei der das elektrische Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Werden Photonen jedoch in dielektrischen Strukturen wie optischen Wellenleitern oder Flüstergaleriemoden-Resonatoren geführt, können starke longitudinale Polarisationskomponenten auftreten, welche die Licht-Materie Wechselwirkung grundlegend verändern. In der vorliegenden Arbeit wird dieses Phänomen im Rahmen der Resonator Quantenelektrodynamik experimentell und theoretisch untersucht. Grundlage der Versuche ist ein Flüstergaleriemoden-Resonator an den einzelne Rubidium 85 Atome gekoppelt werden. Bisher wurde diese Art von Resonator ausschließlich als konventioneller Ringresonator mit zwei linear polarisierten, gegenläufigen Moden beschrieben. Im Gegensatz dazu zeigen die Studien dieser Arbeit, dass die longitudinale Polarisationskomponente des evaneszenten Feldes um den Resonator die Ausbreitungsrichtung des Lichts mit seiner Polarisation verknüpft. Folglich müssen Flüstergaleriemoden-Resonatoren als völlig neue Klasse von Resonatoren angesehen werde, für welche die Licht-Materie Wechselwirkung bisher nicht ausreichend beschrieben ist. Daher wird in der Arbeit ein neues Modell entwickelt, das die experimentellen Beobachtungen konsistent beschreibt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die longitudinale Polarisationskomponenten des geführten Lichts die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie entscheidend beeinflusst wird und damit deutlich stärker sein kann als bei konventionellen Ringresonatoren. Aufbauend auf diesen grundlegenden Erkenntnissen befasst sich diese Arbeit mit der Realisierung eines hoch effizienten Schalters für Licht, dessen Verhalten von einem einzelnen Atom gesteuert wird. Das Herzstück dieses Experiments ist ein Flüstergaleriemoden-Resonator an den zwei optische Fasern gekoppelt werden. Diese Anordnung ermöglicht es, abhängig von der Präsenz eines einzelnen Atoms im evaneszenten Feld des Resonators, Licht zwischen den beiden Fasern hin und her zu schalten. In der vorliegenden Arbeit wird das Verhalten dieses optischen Ein-Atom-Schalters charakterisiert und seine nicht-klassische Natur anhand der Photonenstatistik des geschalteten Lichts untersucht. Abschließend werden Anwendungsmöglichkeiten des optischen Ein-Atom-Schalters in der Quanteninformatinonsverarbeitung diskutiert.

In most physical situations light is correctly described as a fully transverse-polarized wave, i.e., the electric field vector is always orthogonal to its direction of propagation. However, photons confined in dielectric structures such as optical waveguides or whispering-gallery-mode microresonators can have strong longitudinal polarization components whose presence fundamentally alters the interaction between light and matter. In this thesis this phenomenon is investigated experimentally and theoretically in the context of cavity quantum electrodynamics for single Rubidium 85 atoms coupled to a whispering-gallery-mode microresonator. To date, these resonators have been exclusively treated as conventional ring resonators with two linearly polarized, counter-propagating optical modes. By contrast, the analysis in the thesis shows that the longitudinal polarization of their evanescent field fundamentally links the propagation direction of the light with its polarization. Thus, whispering-gallery-mode resonators have to be recognized as a new class of optical resonators for which the current description of light-matter interaction is substantially incomplete. The experimental results are in good agreement with the model developed in the thesis and show that the longitudinal polarization components decisively alter the atom-light coupling, exceeding by far the fundamental limit of conventional ring resonators. Based on these findings a highly efficient switch for light controlled by a single atom is realized. The key element of the experiment is the whispering-gallery-mode microresonator, which is coupled to a single atom and interfaced by two optical fibers. This configuration allows to control the light flux between the two fibers depending on the presence of a single atom in the evanescent field of the resonator. In the thesis the performance of this optical one-atom-switch is studied systematically and the photon number-dependent routing capability is investigated. Finally, prospects for applications of the optical one-atom-switch in quantum information science are discussed.