Wechselwirkung und Manipulation von an einer Nanofaser gefangenen Atomen mit Spin-Bahn gekoppeltem Licht

Abstract

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheLicht wird meistens als elektromagnetische Welle beschrieben, die bezüglich ihrer Ausbreitungsrichtung transversal polarisiert ist. Diese Beschreibung ist für Lichtfelder, die lateral stark eingeschlossen sind aber nicht mehr zutreffend. Solche Lichtfelder weisen eine longitudinale Komponente in ihrem elektrischen Feld auf. Wenn dies der Fall ist, sind Spin- und Bahndrehimpuls des Lichtfeldes gekoppelt. Sie sind damit keine voneinander unabhängigen Größen mehr, was dazu führt, dass zum Beispiel der lokale Spindrehimpuls von der Ausbreitungsrichtung des Lichtfeldes abhängt. In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung von Atomen, die an einer Nanofaser gefangen sind, und Licht, das Spin-Bahn-Kopplung aufweist, untersucht. In unserem System wird durch die Nanofaser eine Schnittstelle zwischen neutralen Cäsium-Atomen und dem evaneszenten Feld der stark geführten optischen Moden realisiert. Mit Hilfe einer optischen Zweifarben-Falle, die auf Dipolkräften beruht, sind die Atome nahe der Oberfläche der Nanofaser in zwei diametral gegenüberliegenden Reihen gefangen. Die besondere Polarisation des evaneszenten Feldes ermöglicht es, die beiden atomaren Ensembles gleichzeitig durch optisches Pumpen in unterschiedliche Zeeman-Zustände zu bringen. In dieser Arbeit wird außerdem gezeigt, dass die zustandsabhängige Verschiebung der Energieniveaus, die durch fiktive Magnetfelder induziert wird, von der räumlichen Position der Atome abhängt. Dies ermöglicht die unabhängige und kohärente Manipulation der beiden atomaren Ensembles mit Mikrowellenstrahlung. Photonen, die von den Atomen gestreut werden, koppeln durch die Spin-Bahn-Wechsel-wirkung von Licht unterschiedlich stark an Moden, die sich in entgegengesetzter Richtung in der Nanofaser ausbreiten. Hier wird gezeigt, dass diese Asymmetrie der Streuraten in die beiden Ausbreitungsrichtungen höher als 10:1 sein kann. Die Asymmetrie kann man abhängig von der Polarisation des anregenden Lichtfeldes sowie des inneren Zustandes der Atome beeinflussen. Hinzu kommt, dass die Spin-Bahn-Wechselwirkung von Licht in unserem System dazu führen kann, dass Lichtfelder abhängig von ihrer Ausbreitungsrichtung durch die Nanofaser unterschiedlich stark transmittiert werden. Basierend auf diesem Effekt wird gezeigt, dass eine optische Diode im Nanomaßstab realisiert werden kann, die auch mit einzelnen Photonen noch funktioniert.Light is often described as an electromagnetic wave that is transversely polarized with respect to its propagation direction. This description however breaks down when the light field is strongly transversely confined. Such a light field exhibits a longitudinal component of its electro-magnetic field. In this situation the spin and the orbital angular momentum of light are coupled and thus not independent quantities anymore, e.g., the local spin depends on the propagation direction of the light field. In this thesis, the interaction between nanofiber-trapped atoms and spin-orbit coupled light fields is studied in the dispersive and the resonant regime. In our system, the nanofiber provides an evanescent field interface between the strongly guided optical mode and neutral cesium atoms. The atoms are confined in two diametric arrays in the vicinity of the nanofiber surface using a nanofiber-based two-color optical dipole trap. It is demonstrated that by using the peculiar polarization pattern of the guided light fields, the two atomic ensembles can be simultaneously optically pumped to opposite Zeeman states. Furthermore, it is shown that the state-dependent light shifts induced by a fictitious magnetic field can be locally distinct. This enables the independent coherent manipulation of the two ensembles via microwave radiation. Moreover, due to the spin-orbit interaction of light, the system exhibits asymmetric scattering of photons by the atoms into counter-propagating nanofiber-guided modes. An asymmetry of the scattering rates into the two propagation directions higher than 10:1 is demonstrated. It is presented that this asymmetry can be tailored by the internal state of the atom and the polarization of the excitation light field. Additionally, it is shown that the spin-orbit interaction in our system can lead to nonreciprocal transmission of a nanofiber-guided light field. Building on this property a nanoscale optical diode is demonstrated, which can be operated down to the single-photon regime.13