Collisional Narrowing and Dynamical Decoupling in a Dense Ensemble of Cold Atoms

مجموعه‌های اتمی فوق‌سرد در سال‌های اخیر به عنوان ابزاری قدرتمند در تحقیقات فیزیک بدن، علم اطلاعات کوانتومی و مترولوژی ظاهر شده‌اند. این پایان نامه یک مطالعه تجربی و نظری از خواص منسجم مجموعه های اتمی به دام افتاده در چگالی بالا ارائه می دهد که برای بسیاری از کاربردهای فوق الذکر ضروری است. این مطالعه بر این تمرکز دارد که چگونه برهمکنش‌های بین ذره‌ای دینامیک انسجام مجموعه را تغییر می‌دهند، و اینکه آیا می‌توان زمان انسجام را با استفاده از کنترل خارجی افزایش داد یا خیر. این پایان نامه یک مدل نظری را ارائه می دهد که اثر برخورد الاستیک دینامیک انسجام را توضیح می دهد و سپس آزمایش هایی را گزارش می دهد که این مدل را با موفقیت در آزمایشگاه آزمایش می کند. علاوه بر این، کار شامل اولین پیاده‌سازی جداسازی دینامیکی با مجموعه‌های اتمی فوق‌سرد است. به طور تجربی نشان داده شده است که با استفاده از جداسازی دینامیکی، زمان انسجام را می توان 20 برابر افزایش داد. این پتانسیل زیادی برای افزایش سودمندی این مجموعه‌ها برای محاسبات کوانتومی دارد.

Ultra-cold atomic ensembles have emerged in recent years as a powerful tool in many-body physics research, quantum information science and metrology. This thesis presents an experimental and theoretical study of the coherent properties of trapped atomic ensembles at high densities, which are essential to many of the aforementioned applications. The study focuses on how inter-particle interactions modify the ensemble coherence dynamics, and whether it is possible to extend the coherence time by means of external control. The thesis presents a theoretical model which explains the effect of elastic collision of the coherence dynamics and then reports on experiments which test this model successfully in the lab. Furthermore, the work includes the first implementation of dynamical decoupling with ultra-cold atomic ensembles. It is demonstrated experimentally that by using dynamical decoupling the coherence time can be extended 20-fold. This has a great potential to increase the usefulness of these ensembles for quantum computation.