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Single atom detection and non-classical photon correlations [Elektronische Ressource] / presented by Dennis Heine

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Description

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.-Phys. Dennis Heineborn in Minden(Westfalen), GermanythOral examination: July 16 , 2008Single Atom DetectionandNon-Classical Photon CorrelationsThis dissertation was carried out at thePhysikalisches Institut, Universitat Heidelbergand theAtominstitut der Osterreichischen Universitaten, TU WienRefereesProf. Dr. orgJ SchmiedmayerProf. Dr. Christoph CremerAbstractIn this thesis a reliable and robust single atom detector is presented, characterised andapplied to measure the uorescence emission of single atoms.The detector consists of a tapered single mode excitation bre and a multi mode87detection bre, both integrated on an atom chip. Single neutral Rb atoms propa-gating freely in a 1D magnetic guide can be detected with an e ciency of 66% due tohighly selective excitation and matched detection region.The detector allows to identify the statistical distribution of the atoms, which, forthe current experiments, was proven to be Poissonian. Non-classical correlations inthe photon emission from a single atom have been measured, showing a perfect photonanti-bunching. Rabi oscillations of the correlation function have been observed andproven to be in excellent agreement with theoretical expectations.

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Published 01 January 2008
Reads 6
Language English
Document size 16 MB

Exrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Phys. Dennis Heine
born in Minden(Westfalen), Germany
thOral examination: July 16 , 2008Single Atom Detection
and
Non-Classical Photon Correlations
This dissertation was carried out at the
Physikalisches Institut, Universitat Heidelberg
and the
Atominstitut der Osterreichischen Universitaten, TU Wien
Referees
Prof. Dr. orgJ Schmiedmayer
Prof. Dr. Christoph CremerAbstract
In this thesis a reliable and robust single atom detector is presented, characterised and
applied to measure the uorescence emission of single atoms.
The detector consists of a tapered single mode excitation bre and a multi mode
87detection bre, both integrated on an atom chip. Single neutral Rb atoms propa-
gating freely in a 1D magnetic guide can be detected with an e ciency 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 inte-
grated 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.
Zusammenfassung
In dieser Arbeit wird ein robuster und verl asslicher Einzelatomdetektor vorgestellt,
charakterisiert und benutzt, um die Fluoreszenzemission einzelner Atome zu unter-
suchen.
Der Detektor besteht aus auf einem Atom Chip integrierten optischen Fasern. Eine
fokussierende Single Mode Faser dient zur Anregung der Atome, deren Fluoreszense-
mission durch einer Multi Mode Faser zur Detektion gesammelt wird. Durch die
hochselektive Anregung und ein darauf angepasstes Detektionsvolumen koennen einzelne
87neutrale Rb Atome mit einer E zienz von 66% detektiert werden.
Der Detektor erm oglicht 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 Photonenemis-
sion einzelner Atome konnte perfektes Photonen Antibunching gemessen werden, ein
eindeutiges Zeichen nichtklassischer Korrelationen. Desweiteren wurden Rabioszilla-
tionen der Korrelationsfunktion in hervorragender Ubereinstimmung mit theoretischen
Erwartungen beobachtet.
Durch den einfachen Aufbau sind nur konventionelle Lithographietechniken zur
Fertigung des Detektors n otig. Im Gegensatz zu bestehenden integrierten Einze-
latomdetektoren ben otigt der hier vorgestellte Detektor weder zus atzliche Fallen zur
Lokalisierung der Atome, noch einen Resonator.Contents
Abstract i
Abbreviations & Symbols vi
1. Introduction & Motivation 1
1.1. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
I. Physics 5
2. Basic Setup 7
2.1. Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. The Fluorescence Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3. The Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4. The Fibre Cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5. Photon Detection Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3. Single Atom Detection 21
3.1. Atom Light Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2. Absorption Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3. Phase Contrast Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4. Fluorescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5. Why Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4. Photon Detector Characterization 35
4.1. APD Operation Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2. Speci cations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3. Signal Artefacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5. Signal & Background 55
5.1. Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2. Background Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6. Variance Analysis 67
6.1. Atom Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2. Statistical Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726.3. Interaction Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.4. Examination of Alpha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.5. Single Atom Detection E ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.6. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7. Time Interval Analysis 91
7.1. TIA Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7.2. Atomic Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.3. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8. Correlation Analysis 105
8.1. Theoretical Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.2. Measuring the Correlation Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
8.3. Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.4. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
II. Nuts and Bolts 131
9. Setup 133
9.1. Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.2. Experiment Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.3. Laser System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
9.4. Vacuum Chamber and Atom Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
9.5. External ToF Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
9.6. Detection setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
10.Magnetic Traps 157
10.1. Atoms in a Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
10.2. The Sideguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
10.3. Scanning the Guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
11.Tapered Ampli er 163
11.1. Standard Laser Diode Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
11.2. Tapered Ampli er Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
11.3. Tapered Speci cations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
11.4. Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
11.5. Transmission Grating Master . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.6. Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
11.7. Cost Estimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
11.8. Improvements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
11.9. Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184III. Conclusion 185
12.Summary 187
13.Improvements 191
13.1. Improvements of the Current Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
13.2.vements of Future Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
14.Outlook 201
IV. Appendices 203
A. The Rubidium-87 D2 Transition 205
A.1. Energy Levels and Transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
A.2. Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
B. Numerical Aperture 211
B.1. Fibre Core Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
C. Poisson Distribution 215
C.1. Derivation from the Binomial Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . 215
C.2. Mean and Variance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
C.3. Time Intervals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
C.4. Applicability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
D. Analysis Programs 219
E. How to built an ECDL Laser 221
E.1. Ingredients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
E.2. Building the Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
E.3. Suppliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
E.4. Variants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
E.5. NTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
E.6. Technical Drawings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
F. Tapered Ampli er Technical Drawings 233Abbreviations
AOM acousto-optical modulator SE secondary emission (of an APD)
AP afterpulse (of an APD) SM single mode ( bre)
APD avalanche photodiode SNR signal to noise ratio
BEC Bose Einstein condensate SPAD single-photon avalanche photodiode
BER bit error rate (of a binary detector) SPCM single photon counting module, an
APD-type single photon detector.cps counts per second
For the presented measurements
FM frequency modulation (locking)
PerkinElmer SPCM-AQR-12-FC
FO o set (locking) modules have been used.
FWHM full width half maximum SU-8 epoxy based photoresist from which
our bre-holders are fabricatedHBT Hanbury Brown-Twiss
TA tapered ampli erMM multi mode ( bre)
TIA time interval analysisMOT magneto-optic trap
ToF time of ight (imaging)NA numerical aperture
Symbols
Constants
vacuum permittivity h Planck’s constant0
vacuum permeability h Planck’s constant h = 2h0
Bohr magneton k Boltzman constantB B
87c speed of light in vacuum m mass of one Rb atomRb
Variables
Times and Parameters
A area t dead time (of an APD)dead
d core diameter of a bre t Interaction timec int
t time interval between neighbouring T total measurement time
events T temperatureC
t bin sizeb V breakdown voltage (of an APD)B