German Title: Imaging von Rydberg-Verunreinigungen in einem Ultrakalten Atomgas

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Abstract

This thesis investigates how a single highly excited atom, called Rydberg atom, can be optically imaged. Direct detection methods based on the scattering of light are hardly applicable due to the small scattering rate of the ground to Rydberg state transition. Instead, a cloud of ground state atoms, normally absorptive, is rendered transparent using electromagnetically induced transparency (EIT), involving an auxiliary probe Rydberg state. The cloud acts as a contrast medium, whose optical response is locally perturbed by the strong Rydberg-Rydberg interaction between the probe and the Rydberg impurity which we want to detect. This perturbation restores absorption within a small volume around the impurity, readily detected and spatially resolved on a camera. We call this technique Interaction Enhanced Imaging (IEI). To implement IEI we characterize the optical response of the EIT contrast medium in absence of interactions. By combining measurements of the spatially resolved optical spectrum and of the total Rydberg atom number, we can reconstruct the full one-body density matrix of the three-level system. Next, we excite |nS> or |nP> states and, using IEI, we demonstrate spatially resolved imaging, enabling us to study dipolar energy transport. To reach single impurity sensitivity we investigate our current detection fidelity and characterize the signal and noise contributions in IEI. We model our interacting system, finding good agreement with experimental data. Based on this model, we predict combinations of Rydberg states for which single-shot single impurity sensitivity should be possible in future experiments.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit untersucht wie ein einzelnes, hoch angeregtes Atom, genannt Rydbergatom, optisch abgebildet werden kann. Direkte Abbildungsmethoden, die auf Streuung von Licht basieren, sind wegen der kleinen Streurate des Übergangs vom Grund- zum Rydbergzustand schwer anwendbar. Stattdessen wird eine Wolke von Grundzustandsatomen, die normalerweise absorptiv wäre, mit Hilfe von elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT) unter Einfluss eines zusätzlichen probe-Rybergzustands, transparent gemacht. Die Wolke dient als Kontrastmedium, dessen optisches Antwortverhalten lokal durch starke Rydberg-Rydberg-Wechselwirkung zwischen den probe- und impurity-Rydbergatomen, die wir detektieren möchten, modifiziert wird. Diese Störung stellt in einem kleinen Volumen um die impurity-Atome herum die Absorption wieder her die sogleich mit einer Kamera detektiert und räumlich aufgelöst wird. Wir nennen diese Technik Interaction-Enhanced-Imaging (IEI). Um IEI zu implementieren charakterisieren wir das optische Antwortverhalten von dem EIT-Kontrastmedium unter Abwesenheit der Wechselwirkung. Durch Kombination von Messungen von sowohl des räumlich aufgelösten optischen Spektrums als auch der Gesamtanzahl der Rydbergatome können wir die gesamte Einteilchen-Dichtematrix des Drei-Niveau-Systems rekonstruieren. Als nächstes regen wir |ns> oder |np> Zustände an und demonstrieren mit Hilfe von IEI räumlich aufgelöste Abbildung was uns erlaubt dipolaren Energietransport zu studieren. Um Einzel-impurity-Sensitivität zu erzielen untersuchen wir unsere aktuelle Detektionszuverlässigkeit und charakterisieren die Signal- und Rauschbeträge von IEI. Wir modellieren unser wechselwirkendes System und finden gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Basierend auf diesem Model sagen wir Kombinationen von Rydbergzuständen voraus für die Einzelrealisierungs- und Einzel-impurity-Sensitivität in zukünftigen Experimenten möglich sein sollte.