Deutsche Übersetzung des Titels: Röntgenquantenoptik mit Mößbauerkernen in Dünnschichtkavitäten

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Abstract

In this thesis thin-film cavities with embedded Mössbauer nuclei probed by near-resonant x-ray light are studied from a quantum optical perspective. A theoretical framework is developed and compact expressions for the observables are derived for the linear excitation regime, which is encountered in current experiments. Even advanced cavity layouts can be modeled in excellent agreement with the results of previous experiments and semi-classical approaches. In the absence of magnetic hyperfine splitting, the spectral response of the system is found to be formed by tunable Fano profiles. An experimental implementation of this line shape control allows to extract spectroscopic signatures with high precision and to reconstruct the phase of the nuclear transition in good agreement with the theoretical predictions. The alignment of medium magnetization and polarization control of the x-rays enable to engineer advanced quantum optical level schemes, in which vacuum induced coherence effects are predicted and successfully demonstrated in an experiment. Furthermore, it is shown that group velocity control for x-ray pulses can be achieved in the cavity. A scheme for its observation is proposed and then employed to experimentally confirm sub-luminal x-ray propagation. Finally, non-linear effects, which could become accessible with future light sources, are explored and a non-linear line shape control mechanism is discussed.

Übersetzung des Abstracts (Deutsch)

In dieser Arbeit werden Dünnschichtkavitäten mit eingebetteten Mößbauerkernen, die nahe ihrer Resonanz mit Röntgenlicht wechselwirken, aus quantenoptischer Perspektive untersucht. Eine umfassende theoretische Beschreibung wird entwickelt und im linearen Anregungsraum, der für heutige Experimente von Bedeutung ist, werden kompakte analytische Ausdrücke für die Observablen gewonnen. Auch komplexe Kavitäten können in sehr guter Übereinstimmung mit früheren Experimenten und semiklassischen Methoden modelliert werden. Es wird gezeigt, dass die spektrale Antwort des Systems ohne magnetischer Hyperfeinstrukturaufspaltung der Kerne aus durchstimmbaren Fano-Resonanzen besteht. Diese Linienformkontrolle wird experimentell realisiert und ermöglicht es in guter Übereinstimmung mit den Vorhersagen spektroskopische Eigenschaften mit hoher Präzision zu bestimmen und die Phase der Kernresonanz zu rekonstruieren. Durch die Ausrichtung der Magnetisierung sowie der Lichtpolarisation können fortgeschrittene quantenoptische Levelschemata realisiert werden. In diesen werden vakuuminduzierte Kohärenzeffekte vorhergesagt und erfolgreich im Experiment bestätigt. Weiterhin wird gezeigt, dass die Gruppengeschwindigkeit von Röntgenlichtpulsen in der Kavität gesteuert werden kann. Eine Beobachtungsmethode dafür wird eingeführt und verwendet, um verlangsamtes Licht experimentell zu demonstrieren. Zuletzt werden nichtlineare Effekte, die mit zukünftigen Lichtquellen beobachtbar werden könnten, untersucht und ein nichtlinearer Mechanismus zur Linienformkontrolle wird diskutiert.