Cooperative Optical Non-Linearity in a Blockaded Rydberg Ensemble

این پایان نامه اولین نمایش غیرخطی نوری مشارکتی را بر اساس برانگیختگی رایدبرگ توصیف می کند. در حالی که در اپتیک غیرخطی معمولی، غیرخطی بودن مستقیماً از برهمکنش بین نور و ماده ناشی می‌شود، در یک فرآیند مشارکتی توسط برهمکنش‌های دوقطبی-دوقطبی بین برانگیختگی‌های ناشی از نور واسطه می‌شود. برای برانگیختگی به حالت‌های ریدبرگ بالا که در آن الکترون فقط ضعیف محدود است، برهمکنش‌های دوقطبی-دوقطبی بسیار بزرگ و برد طولانی هستند و باعث افزایش بسیار زیاد اثر غیر خطی می‌شوند. در نتیجه، اپتیک غیرخطی مشارکتی با استفاده از برانگیختگی‌های رایدبرگ، عصر جدیدی را برای اپتیک کوانتومی باز می‌کند که امکان دسترسی به غیرخطی فوتون بزرگ را برای اولین بار در فضای آزاد فراهم می‌کند. این پایان نامه پایه های نظری اثر غیر خطی، نتایج تجربی پیشگام و پیامدهای آزمایش در رژیم تک فوتون را توصیف می کند.

This thesis describes the first demonstration of a cooperative optical non-linearity based on Rydberg excitation. Whereas in conventional non-linear optics the non-linearity arises directly from the interaction between light and matter, in a cooperative process it is mediated by dipole-dipole interactions between light-induced excitations. For excitation to high Rydberg states where the electron is only weakly bound, the dipole-dipole interactions are extremely large and long range, enabling an enormous enhancement of the non-linear effect. Consequently, cooperative non-linear optics using Rydberg excitations opens a new era for quantum optics enabling large single photon non-linearity to be accessible in free space for the first time. The thesis describes the theoretical underpinnings of the non- linear effect, the pioneering experimental results and implications for experiments in the single photon regime.