German Title: Elektromagnetisch induzierte Transparenz mit Rydbergatomen - Eine verschwindende lineare Antwort, Resonanzen und ein stationäres Rydberg-Polariton

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Abstract

Rydberg electromagnetically induced transparency (Rydberg EIT) enables extremely strong optical nonlinearities, opening the possibility for photon-photon interactions and exotic states of light. Subjects of this thesis are the development and the experimental test of semiclassical models for Rydberg EIT systems on two-photon resonance. Beyond that, this thesis opens the route towards enhanced photon-photon interactions in terms of an increased interaction time. Three major results are achieved: (i) In the semiclassical regime, we extend existing models and reveal that a two-body, two-photon resonance leads to an enhanced nonlinear optical response. (ii) We develop an experimental method to rigorously test semiclassical models of Rydberg EIT. For this purpose, we go beyond previous experimental investigations and measure transmission spectra on two-photon resonance, where the linear response of the system vanishes. We identify qualitative differences between a measured absorption feature and predictions provided by a mean-field model, a Monte-Carlo rate equation simulation, and a theory based on a pairwise treatment of atomic interactions. (iii) In the quantum regime, we propose and analyze a novel scheme to endow a stationary light polariton with a Rydberg character, resulting in a stationary Rydberg polariton. Our scheme offers the prospect for polariton interactions with increased interaction time, and thus might find application in the creation of exotic states of light.

Translation of abstract (German)

Elektromagnetisch induzierte Transparenz mit Rydbergatomen (Rydberg EIT) ermöglicht extrem starke optische Nichtlinearitäten, welche die Möglichkeit für Photonen-Photonen Wechselwirkungen und exotische Zustände von Licht eröffnen. Themen der vorliegenden Arbeit sind die Entwicklung und die experimentelle Überprüfung von semiklassischen Modellen für Rydberg EIT Systeme auf Zwei Photonen-Resonanz. Darüber hinaus ebnet diese Arbeit den Weg für verstärkte Photonen-Photonen Wechselwirkungen mittels einer verlängerten Wechselwirkungszeit. Drei wesentliche Ergebnisse werden erzielt: (i) Im semiklassischen Regime erweitern wir bestehende Modelle und zeigen, dass eine Zwei- Körper, Zwei-Photonen-Resonanz zu einer verstärkten nichtlinearen optischen Antwort führt. (ii) Wir entwickeln eine experimentelle Methode für die rigorose Überprüfung semiklassischer Modelle der Rydberg EIT. Hierfür gehen wir über vorherige experimentelle Studien hinaus und messen Transmissionsspektren auf Zwei-Photonen-Resonanz, wo die lineare Antwort des Systems verschwindet. Wir identifiziere qualitative Abweichungen zwischen gemessenen Absorptionseigenschaften und Vorhersagen von einer Molekularfeldtheorie, einer Monte-Carlo Ratengleichungssimulation und einer Theorie, die auf einer paarweisen Behandlung von atomaren Wechselwirkungen beruht. (iii) Im quantenmechanischen Regime schlagen wir ein neues Schema vor, mit welchem ein stationäres Licht-Polariton mit einem Rydberg-Charakter ausgestattet wird, und analysieren dieses. Als Ergebnis erhalten wir ein stationäres Rydberg-Polariton. Unser Schema bietet die Aussicht auf Polaritonen Wechselwirkungen mit einer verlängerten Wechselwirkungszeit und könnte daher Anwendung in der Erzeugung von exotischen Zuständen von Licht finden.