Spontaneous decay in the multi-mode regime of cavity quantum electrodynamics

Abstract

Wir beschäftigen uns in dieser Arbeit mit der spontanen Emission eines Photons, durch ein angeregtes Zwei-Niveau System in einer optischen Kavität. Für diese Problemstellung entwickeln wir eine allgemein anwendbare Lösungsstrategie, die es ermöglicht das Emissionsverhalten für beliebige eindimensionale Geometrien und Kopplungskonstanten zwischen Emitter und Kavität zu berechnen.<br />Im Vakuum wird die spontane Emission durch die Kopplung des Emitters an die Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Feldes ausgelöst.<br />Erstmals wurde durch Purcell gezeigt, dass dieses Emissionsverhalten durch die räumliche Umgebung des Emitters beeinflusst wird. Dies liegt daran, dass sich in einer optischen Kavität die Modenstruktur gegenüber dem Vakuum verändert. Folglich ist auch die Kopplung des Emitters an das Feld nicht mehr dieselbe. Im konkreten Fall des Purcell Effekts wird die Emission stark beschleunigt, wenn die Frequenz des emittierten Photons einer Mode des Feldes entspricht.<br />Um diese Effekte korrekt zu beschreiben ist ein Zugang über die Quantenelektrodynamik notwendig, welchre die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes vollständig beinhaltet. Eines der ersten quantenfeldtheoretischen Modelle zur Behandlung des Problems eines Zwei-Niveau Systems in einer optischen Kavität war das Jaynes-Cummings Modell (JCM). Dieses Modell beschreibt die Wechselwirkung eines Emitters mit einer Mode des Feldes (single-mode coupling) und bietet die Grundlage zum Verständnis einer Vielzahl quantenoptischer Phänomene, wie zum Beispiel Rabi Oszillationen. Um Rechnungen über einen großen Wertebereich von Kopplungskonstanten durchzuführen, haben wir einen allgemeineren Zugang gewählt, welcher auch die Ankopplung des Emitters an mehrere Moden der Kavität beschreibt. In dieser Diplomarbeit werden die Grundgleichungen dieses Ansatzes numerisch implementiert und auf zwei einfache eindimensionale System angewendet. Es werden nicht nur Ergebnisse im "single-mode coupling" Bereich, sondern auch für die bisher nicht diskutierten "few-mode" und "multi-mode coupling" Konfigurationen präsentiert.<br />Insbesondere die Ergebnisse für sehr starke Kopplungen des Emitters an das Feld (multi-mode coupling) erweisen sich als interessant. Es kann ein quasi klassisches Verhalten des emittierten Photons beobachtet werden. Nach einem sehr schnellen Zerfall treten im Emitter erhöhte Wahrscheinlichkeiten zur Absorption des Photons zu Zeitpunkten auf, die sich durch eine klassische Trajektorie identifizieren lassen.