Three-photon electromagnetically induced transparency in Rydberg atoms

Abstract

Electromagnetically Induced Transparency (EIT) is a quantum coherence phe- nomenon, in which an atomic medium is rendered transperent via destructive interference of excitation pathways. EIT was first observed in a three-level lambda scheme where a modified optical response is achieved by the interference of light field induced atomic state coherences at the resonance of transition. An EIT system also produces important optical effects including giant Kerr non-linearity and slow light. Rydberg-EIT media have been used to study optical properties of atomic media, non-linear optical effects and to gain better understanding on interacting many-body systems due to the controllable in- teractions of Rydberg atoms. Recently EIT in a four-level ladder scheme was realized experimentally in a dressed-state manner with Cs atomic vapor, in which a strong dress- ing field allows for a transparency window to be opened for probe field. Rydberg EIT has potential applications in terahertz regime, electrometry, metrology and quantum in- formation science, but extensive studies on four-level Rydberg EIT schemes are scarce. In this thesis; three-photon EIT in a cold atomic ensemble that has a ladder type excita- tion scheme, in which the highest energy state is a Rydberg state is investigated. Atom- light interactions of a four-level ladder system is developed for non-interacting case, then extended to many-body case. Starting with the steady-state solutions without atomic in- teractions, Rydberg EIT system is analyzed using mean-field and rate equation methods, though due to inadequate computing power and lack of time we could not finalize the rate equation method. To understand effects of Rydberg-Rydberg interactions on these systems in detail, two-body case is investigated with mean-field method. Afterwards, to achieve more realistic results, a self-consistent mean-field method for larger systems is developed. It is observed that as the van der Waals interaction energy increases, Rydberg blockade becomes more prominent. Therefore induced transparency weakens, broadens and shifts away from the resonance as expected. This means that, controllable interac- tions in a Rydberg EIT medium enables to control and modify the optical response of the atomic medium.

Elektromanyetik olarak indüklenmiş şeffaflık (EIT), opak bir atomik ortamın, uyarım yollarının yıkıcı girişime uğraması ile şeffaflaştığı bir kuantum eşuyumluluk olayıdır. EIT ilk kez, üç seviyeli lambda sisteminde gözlenmiştir. Atomik ortamın optik tepkisinin değişime uğradığı bu sistemde şeffaflık, ışık alanının etkisiyle indüklenmiş atomik eş uyumluluklarının geçiş rezonansında yıkıcı girişimi ile elde edilmiştir. EIT sistemleri ile, doğrusal olmayan büyük Kerr etkileri ve yavaş ışık gibi önemli etkiler gözlenmştir. Rydberg EIT ortamı, atomik sistemlerin optik özelliklerini, doğrusal olmayan optik etkileri çalışmak için ve Rydberg atomlarının kontrol edilebilir etkileşimleri sayesinde etkileşimli çok atom sistemlerini daha iyi anlamak için kullanılmıştır. Yakın geçmişte, Ryd berg EIT, Cs atomik buharında, dört seviyeli basamak sistemi ile deneysel olarak gösterilmiştir. Bu sistemde güçlü giydirme alanı, prob alanı icin şeffaflık penceresi açılmasını sağlamıştır. Rydberg EIT terahertz rejiminde, elektrometride, metrolojide ve kuantum bilgi bilimlerinde potansiyel uygulamalar vaat etmektedir ancak dört düzeyli Rydberg EIT sistemlerinde geniş kapsamlı çalışmalar nadirdir. Bu tezde; soğuk atomlarda üç-foton uyarımlı basamak Rydberg EIT sistemi incelenmiştir. Atomışık etkileşimleri, etkileşim siz dört seviyeli basamak sistemleri için geliştirilmiştir ve sonra etkileşimli çok atomlu sistemler için genişletilmiştir. Başlangıçta, atomik etkileşimler olmayan sistemler için durağan durum çözümleri elde edilmiştir. Daha sonra Rydberg atom etkileşimleri olan sistemler için ortalama alan ve oran denklemleri yöntemleri kullanılarak Rydberg EIT ortamı çalışılmıştır. Ancak işlem gücü ve zaman yetersizliğinden dolayı oran denklemleri yontemi sonuca ulaştırılamamıştır. Rydberg EIT sistemlerinde, Rydberg-Rydberg etkileşimlerini incelemek içn, öncelikle basit bir durum olan etkileşimli iki atom durumu ortalama alan yöntemi kullanılmıştır. Daha sonra, büyük sistemler için daha gerçekçi sonuçlar elde etme hedefiyle, kendi içinde tutarlı ortalama alan yöntemi geliştirilmiştir. van der Waals etkileşimlerinin kuvveti arttıkça, Rydberg blokaj mekanizması etkisini arttırmış ve elektromanyetik olarak indüklenmiş şeffaflık rezonanstan kayarak etkisini yitirmiştir. Bu, Ryberg EIT ortamlarındaki kontrol edilebilir Rydberg etkileşimlerinin, ortamın optik tepkisinin kontrollü bir şekilde degiştirilebilmesini sağladığı gorülmüştür.