German Title: Gekoppelte Systeme aus Rydbergatomen und Licht und ihre wechselwirkungsinduzierte Dynamik

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Abstract

This thesis investigates new phenomena that arise when light is strongly coupled to an interacting atomic gas. For this, a new apparatus has been built which allows to create ultracold and dense atomic samples and to detect individual atoms in high-lying atomic states, so-called Rydberg atoms. Strong light-matter coupling is achieved using the collective coupling of the atomic cloud to the light field under conditions of electromagnetically induced transparency (EIT). In experiments on EIT involving non-interacting Rydberg states, we characterize the light-matter coupling and demonstrate the first combined optical and matter based probing of EIT. By coupling to strongly-interacting Rydberg states, we investigate the effect of interactions which we observe as a strong nonlinear optical response of the atomic gas as well as in the emergence of strong correlations between the hybrid quasiparticles associated with the strong light-matter coupling. We employ the nonlinear response of the atomic cloud to image Rydberg atoms immersed in the atomic cloud. In a theoretical proposal, we show that this novel imaging technique allows to investigate many-body Rydberg states with single particle sensitivity. Using the proposed imaging method, we demonstrate imaging of small numbers of Rydberg atoms with high time-resolution in single shot experiments. In experiments exploiting the dipolar exchange interaction between Rydberg atoms, we employ the new imaging technique to follow dipole-mediated transport of Rydberg excitations through the cloud. The transport dynamics is determined by the continuous spatial projection of the electronic quantum state under observation and features an emergent spatial scale of micrometer size induced by Rydberg-Rydberg interactions.

Translation of abstract (German)

Diese Doktorarbeit untersucht die starke Kopplung von Licht an wechselwirkende atomare Gase. Hierfür wurde eine neue Apparatur aufgebaut, die es uns ermöglicht ultrakalte atomare Gase mit hohen Dichten zu erzeugen und einzelne Atome in hoch angeregten elektronischen Zuständen, so genannte Rydbergatome, zu detektieren. In den Experimenten werden die Atome und das Lichtfeld mittels elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT) stark gekoppelt. In Untersuchungen mit nicht wechselwirkenden Rydbergzuständen wird die Licht-Materie-Kopplung charakterisiert und erstmals sowohl der Licht- als auch der Materiefreiheitsgrad des gekoppelten Systems analysiert. In Experimenten mit stark wechselwirkenden Rydbergzuständen, wird der Einfluss der Wechselwirkung auf EIT untersucht. Als Folge der Wechselwirkung werden ein stark nichtlineares optisches Verhalten des atomaren Gases und Korrelationen zwischen den hybriden Quasiteilchen beobachtet. Unter Verwendung der optischen Nichtlinearität des atomaren Gases wird ein neues Verfahren vorgestellt, welches uns ermöglicht Rydbergatome in dichten ultrakalten Gasen optisch sichtbar zu machen. In theoretischen Untersuchungen wird gezeigt, dass die neue Abbildungsmethode es erlaubt Vielteilchenzustände von Rydbergatomen auf der Ebene einzelner Rydbergatome zu untersuchen. Anschließend werden in ersten Experimenten Verteilungen mit wenigen Rydbergatomen ortsaufgelöst und mit hoher Zeitauflösung nachgewiesen. Abschließend wird die Abbildungsmethode zur Untersuchung von dipolaren Transportphenomänen in Rydberggasen verwendet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Transportdynamik entscheidend durch die ständige Projektion des elektronischen Zustands während der Messung beeinflusst wird. Zusätzlich besitzt die Transportdynamik aufgrund der Abbildungsmethode eine charakteristische Längenskala in der Größenordnung einiger Mikrometer, die die Transporteigenschaften entscheidend modifiziert.