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Many-Body Effects in Rydberg Gases : Coherent Dynamics of Strongly Interacting Two-Level Atoms and Nonlinear Optical Response of a Rydberg Gas in EIT Configuration

Gärttner, Martin

German Title: Vielteilcheneffekte in Rydberg-Gasen : kohärente Dynamik stark wechselwirkender Zwei-Niveau-Atome und nichtlineare optische Antwort eines Rydberg-Gases in EIT Konfiguration

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Abstract

Subject of this thesis is the theoretical investigation of ensembles of atoms that are coherently laser-excited to a Rydberg state. Rydberg excited atoms interact with each other over large distances, which leads to strongly correlated many-body dynamics, demanding powerful numerical tools for their modeling. The first part of the thesis deals with effective two-level atoms consisting of a ground and a Rydberg state only. For resonant laser excitation a modified scaling behavior of the excitation number is observed, which is caused by effects of finite system size and coarse graining of the medium due to the finite atomic density. For off-resonant excitation, ordered structures arise out of an initially homogeneous gas, which are reflected in strongly peaked spatial correlations and modified excitation statistics. In the second part a fast decaying intermediate level is additionally taken into account. In this situation the phenomenon of electromagnetically induced transparency (EIT) is encountered. This effect is suppressed in the presence of strong interactions between the Rydberg atoms leading to an optical nonlinearity. A model predicting the properties of a cloud of Rydberg atoms in EIT configuration is developed. In both parts the models are validated by comparing their predictions to recent experimental observations.

Translation of abstract (German)

Gegenstand dieser Arbeit ist die theoretische Untersuchung von Ensembles von Atomen, die durch kohärente Laseranregung in einen Rydbergzustand gebracht werden. Rydbergatome wechselwirken über weite Entfernungen miteinander, was zu stark korrelierter Vielteilchendynamik führt, für deren Modellierung anspruchsvolle numerische Techniken notwendig sind. Im ersten Teil der Arbeit werden effektive Zwei-Niveau-Atome bestehend aus Grundzustand und Rydbergzustand untersucht. Bei resonanter Laseranregung wird ein verändertes Skalierungsverhalten der Anregungszahl beobachtet, welches auf Effekte endlicher Systemgröße und die Grobkörnigkeit des Mediums aufgrund der endlichen Atomdichte zurückzuführen ist. Bei nicht-resonanter Anregung bilden sich geordnete Strukturen aus einem anfänglich homogenen Gas, die sich in ausgeprägten Peaks in den räumlichen Korrelationen und modifizierter Anregungs-Statistik widerspiegeln. Im zweiten Teil wird ein schnell zerfallendes mittleres Niveau hinzugenommen. Dadurch erhält man das Phänomen der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT). Durch die starken Wechselwirkungen zwischen den Rydbergatomen wird dieser Effekt jedoch unterdrückt, was zu einer optischen Nichtlinearität führt. Es wird ein Modell entwickelt, mit dem sich die Eigenschaften einer Wolke von Rydbergatomen in EIT Konfiguration vorhersagen lassen. In beiden Teilen werden die Vorhersagen der Modelle mit experimentellen Beobachtungen verglichen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Evers, PD Dr. Jörg
Date of thesis defense: 17 December 2013
Date Deposited: 13 Jan 2014 12:19
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
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