Non-Reciprocal Optical Amplification and Phase Shifts in a Nanofiber-Based Atom-Light Interface and a Precise Lifetime Measurement of the Cesium 5D_{5/2} State
Creators: name: Pucher, Sebastian
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2022
Subjects: subject: Nicht-reziprok
subject: Verstärkung
subject: Verstärker
subject: Cäsium
subject: Lebenszeit
subject: Nanofaser
subject: Phasenverschiebung
subject: Physik
subject: Nanophotonik
subject: chiral
subject: Non-Reciprocal
subject: Amplification
subject: Cesium
subject: Lifetime
subject: Nanofiber
subject: Phase Shift
subject: Physics
subject: Nanophotonics
subject: Amplifier
subject: 530 Physik

description: Nanophotonische Systeme sind eine leistungsfähige Plattform für die Untersuchung von Licht-Materie-Wechselwirkungen. In solchen Systemen bricht die übliche Beschreibung einer elektromagnetischen Welle als eine Welle, die in Bezug auf ihre Ausbreitungsrichtung transversal polarisiert ist, zusammen. Dies ist auf die Einengung der geführten Lichtfelder zurückzuführen, welche zu einer longitudinalen Komponente der elektromagnetischen Felder führt. In dieser Arbeit nutzen wir dies in Verbindung mit unterschiedlichen Kopplungsstärken von Cäsiumatomen an \sigma^- und \sigma^+ polarisiertes Licht, um das Prinzip neuartiger nicht-reziproker optischer Bauelemente zu demonstrieren. Im ersten Teil dieser Arbeit demonstrieren wir die nicht-reziproke Verstärkung von fasergeführtem Licht mit Hilfe von Raman-Verstärkung durch spinpolarisierte Cäsiumatome, die an die Nanofasertaille eines verjüngten Faserabschnitts gekoppelt sind. Wir zeigen, dass unser neuartiger Mechanismus kein externes Magnetfeld benötigt und dass wir die Richtung der Verstärkung vollständig über den atomaren Spinzustand kontrollieren können. Darüber hinaus nutzen wir die chirale Licht-Materie-Wechselwirkung in unserem System, um einen nicht-reziproken antisymmetrischen optischen Phasenschieber zu realisieren. Diese Ergebnisse tragen zur Etablierung einer neuen Klasse von spin-gesteuerten, nicht-reziproken integrierten optischen Bauelementen bei und können den Aufbau komplexer optischer Netzwerke vereinfachen. In einem weiteren Forschungsprojekt tragen wir zum grundlegenden Verständnis von Atomen bei, indem wir die Lebensdauer eines angeregten Cäsiumzustands präzise messen. Wir messen die Lebensdauer des Cäsium 5D_{5/2} Zustands im freien Raum. Wir finden eine Lebensdauer von 1353(5) ns, die mit einer aktuellen theoretischen Vorhersage übereinstimmt. Unsere Messung trägt dazu bei, eine seit langem bestehende Unstimmigkeit zwischen verschiedenen experimentellen und theoretischen Ergebnissen zu beseitigen.
description: Nanophotonic systems are a powerful platform for the study of light-matter interactions. In such systems, the common description of an electromagnetic wave as a wave that is transversely polarized with respect to its propagation direction breaks down. This is due to the tight confinement of the guided light fields, which leads to a longitudinal component of the electromagnetic fields. In this thesis, we use this in conjunction with different coupling strengths of cesium atoms to \sigma^- and \sigma^+ polarized light to provide proof-of-principle demonstrations of novel non-reciprocal optical devices. In the first part of this thesis, we demonstrate non-reciprocal amplification of fiber-guided light using Raman gain provided by spin-polarized cesium atoms that are coupled to the nanofiber waist of a tapered fiber section. We show that our novel mechanism does not require an external magnetic field and that it allows us to fully control the direction of amplification via the atomic spin state. Moreover, we use the chiral light-matter interaction in our system to implement a non-reciprocal antisymmetric optical phase shifter. These results contribute to establishing a new class of spin-controlled, non-reciprocal integrated optical devices and may simplify the construction of complex optical networks. In an additional research project, we also contribute to the fundamental understanding of atoms by precisely measuring the lifetime of an excited cesium state. We measure the lifetime of the cesium 5D_{5/2} state in free space. We find a lifetime of 1353(5) ns, in agreement with a recent theoretical prediction. Our measurement contributes to resolving a long-standing disagreement between several experimental and theoretical results.