German Title: Einzelatomdetektion und nichtklassische Photonenkorrelationen

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Abstract

In this thesis a reliable and robust single atom detector is presented, characterised and applied to measure the fluorescence emission of single atoms. The detector consists of a tapered single mode excitation fibre and a multi mode detection fibre, both integrated on an atom chip. Single neutral 87Rb atoms propagating freely in a 1D magnetic guide can be detected with an efficiency of 66% due to highly selective excitation and matched detection region. The detector allows to identify the statistical distribution of the atoms, which, for the current experiments, was proven to be Poissonian. Non-classical correlations in the photon emission from a single atom have been measured, showing a perfect photon anti-bunching. Rabi oscillations of the correlation function have been observed and proven to be in excellent agreement with theoretical expectations. The detector presented here is conceptionally much simpler than comparable integrated detectors employing cavity assisted detection and can be produced by using only commercially available lithographic techniques. With this detector single atom sensitivity is reached without the need for cavity assisted detection or localization of the atoms.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wird ein robuster und verlasslicher Einzelatomdetektor vorgestellt, charakterisiert und benutzt, um die Fluoreszenzemission einzelner Atome zu untersuchen. Der Detektor besteht aus auf einem Atom Chip integrierten optischen Fasern. Eine fokussierende Single Mode Faser dient zur Anregung der Atome, deren Fluoreszensemission durch einer Multi Mode Faser zur Detektion gesammelt wird. Durch die hochselektive Anregung und ein darauf angepasstes Detektionsvolumen können einzelne neutrale 87Rb Atome mit einer Effizienz von 66% detektiert werden. Der Detektor ermöglicht es, die statistische Verteilung atomarer Ensembles durch einfache Messungen zu bestimmen. Im Fall der vorliegenden Experimente wurde eine Poissonverteilung der Atome nachgewiesen. In einer Untersuchung der Photonenemission einzelner Atome konnte perfektes Photonen Antibunching gemessen werden, ein eindeutiges Zeichen nichtklassischer Korrelationen. Desweiteren wurden Rabioszillationen der Korrelationsfunktion in hervorragender Übereinstimmung mit theoretischen Erwartungen beobachtet. Durch den einfachen Aufbau sind nur konventionelle Lithographietechniken zur Fertigung des Detektors nötig. Im Gegensatz zu bestehenden integrierten Einzelatomdetektoren benötigt der hier vorgestellte Detektor weder zusätzliche Fallen zur Lokalisierung der Atome, noch einen Resonator.