Interaction between Atoms and Light


This is a page about lectures which I gave at the University of Konstanz during winter 2002/2003. The lectures were given in German. The translation of my lecture notes is in progress, however. You can download the incompletely translated version from August 14, 2004.

Atome, Licht und ihre Wechselwirkung: Wahlpflichtvorlesung im WS 02/03 von Peter Marzlin
Termine:
Vorlesung Di. 10-12 in P601 und Fr. 10-12 in P601
Übungen Mi. 8:15 - 9:45 in P812  

In den letzten 15 Jahren wurden eine Fülle neuer Methoden entwickelt, Atome mit Hilfe von Laserstrahlen und Licht in atomaren Gasen zu manipulieren. Hierbei werden teilweise sehr verblüffende Konzepte verwendet, die auch in der Quantenoptik angewendet werden. Im allgemeinen handelt es sich dabei um die trickreiche Ausnutzung quantenmechanischer Phänomene, deren Beherrschung auch das Verständnis der Quantentheorie vertieft hat.

In dieser Vorlesung sollen die Grundlagen dieser Phänomene sowie ihre Anwendungen vermittelt werden. Es geht also nicht darum, Atomphysik oder Optik zu behandeln, sondern ein Gefühl dafür zu entwickeln, was in der Quantenphysik von Atomen und Licht möglich und machbar ist. Nebenbei lernt man auch sehr nützliche allgemeine Konzepte, z.B. die Grundlagen der Quantenfeldtheorie oder das Zwei-Niveau-Modell.

Ein Skript zur Vorlesung ist Dank der Mithilfe von vielen Studierenden enstanden und kann als PDF-Datei heruntergeladen werden. Postskript-Dateien der Übungsblätter finden Sie unter den folgenden Links:
Übungsblatt 1 Übungsblatt 2 Übungsblatt 3 Übungsblatt 4 Übungsblatt 5 Übungsblatt 6 Übungsblatt 7 Übungsblatt 8 Übungsblatt 9 Übungsblatt 10 Übungsblatt 11 Übungsblatt 12

 
 

Vorläufiges Inhaltsverzeichnis

  1. Klassische Optik (Wiederholung)
    1. Die Maxwell-Gleichungen
    2. Skalares Potential und Vektorpotential
    3. Eichtransformationen
    4. Multipolentwicklung
    5. Dielektrische Medien
  2. Quantenfeldtheorie des Lichts
    1. Teilchenzahl-Darstellung und Modenentwicklung
    2. Kanonische Quantisierung in Coulomb-Eichung
    3. Kohärente Zustände
    4. Klassische und quantenmechanische Interferenz
    5. Bemerkungen zum Problem der Quantisierung in anderen Eichungen
  3. Quantenmechanik der Atome: Ein kurzer Überblick
    1. Das Wasserstoffatom, Parität
    2. Feinstruktur und Spin
    3. Hyperfeinstruktur
  4. Die Wechselwirkung von Atomen und Licht
    1. Minimale Kopplung
    2. Power-Zienau-Woolley-Transformation
    3. Die Dipolkopplung
    4. Auswahlregeln
  5. Das Zwei-Niveau-Modell für Atome
    1. Herleitung des Zwei-Niveau-Modells
    2. Rabi-Oszillationen, Landau-Zener-Übergang
    3. Dressed States
    4. Modelle mit wenigen Niveaus, Raman-Übergänge
    5. Adiabatisches Theorem, STIRAP
  6. Inkohärente Wechselwirkung und Dichtematrix
    1. Das Konzept der Dichtematrix
    2. Liouville-Gleichung
    3. Zwanzigs Master-Gleichung
    4. Spontane Emission
    5. Vermeidung spontaner Emission durch Interferenz
    6. Die Maxwell-Bloch-Gleichungen
  7. Laser-Kühlen von Atomen
    1. Allgemeines zum Kühlen von Quantensystemen
    2. Doppler-Kühlung
    3. Dunkelzustände
    4. Velocity-selective coherent population trapping
  8. Elektromagnetisch induzierte Transparenz
  9. Photonic band gaps
  10. Bose-Einstein-Kondensation

Empfohlene Literatur

Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc, and Gilbert Grynberg, Photons and atoms : introduction to quantum electrodynamics (1989). In this book the fundamental equations of non-relativistic QED are thoroughly explained.

D.P. Craig and T. Thirunamachandran, Molecular quantum electrodynamics : an introduction to radiation-molecule interactions (1997). Despite its title it is also very useful for atoms. A cheap (15 €) alternative to the first book.

Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc, Gilbert Grynberg, Atom-photon interactions : basic processes and applications (1992). A very good book dealing with the fundamental techniques to describe the interaction of atoms with light. Includes dressed states, resolvent method, master equations.

M.O. Scully and M.S. Zubairy, Quantum Optics (1997). A very nice introduction which also covers electromagnetically induced transparency.

Leonard Mandel and Emil Wolf, Optical coherence and quantum optics (1995). One of the most comprehensive and complete texts on quantum optics. Gives a good survey of most techniques and topics.



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