Στην παρούσα εργασία μελετάμε την κυκλική μεταφορά πληθυσμών σε κβαντικά συστήματα με σπασμένη συμμετρία μέσω εξαναγκασμένης αδιαβατικής μετάβασης Raman (STIRAP) στην οποία προσθέτουμε μια διαδικασία ενός φωτονίου που κλείνει τον κύκλο μετάβασης. Αρχικά μελετάμε το σύστημα θεωρητικά για καθαρούς παλμούς ενώ στη συνέχεια προσθέτουμε όρους θορύβου και αποσβεσης (decay) προσεγγίζοντας, έτσι, περισσότερο ένα ρεαλιστικό σύστημα. Η μελέτη του δεύτερου μέρους βασίζεται στη λύση των εξισώσεων του συστήματος με αριθμητικές μεθόδους. / We study cyclic population transfer in quantum systems with broken symmetry through stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) in which we add a one-photon process that closes the STIRAP two-photon process. After the initial theoretical treatment of the problem, for simple Gaussian pulses, we later add noise and decay terms in the Hamiltonian of the system, rendering a more realistic approach. On the second part of this study we use numerical methods to solve the equations found.

Dans ce manuscrit, nous rapportons les développements, théoriques et expérimentaux, en cours à TRT, visant la réalisation d'un accéléromètre à atomes froids. Cet interféromètre utilise un gaz ultra-froid non-dégénéré qui est piégé au voisinage d'une puce atomique pendant toute la séquence d’interrogation.Nous décrivons un protocole d'interrogation permettant de rendre le capteur sensible aux accélérations. Ce protocole est constitué d'une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des deux états de l'interféromètre. Le signal et le contraste de cet interféromètre sont modélisés et l'utilisation de raccourci à l'adiabaticité est considérée pour réaliser une séparation et une recombinaison rapide des deux états. Nous décrivons aussi une implémentation de cet interféromètre sur une puce atomique. Elle repose sur la création de deux potentiels habillés micro-onde, un pour chacun des deux états de l'interféromètre.Le dispositif de refroidissement des atomes, mis en place pendant cette thèse, est décrit. Des atomes de rubidium 87 sont refroidis jusqu'à la condensation de Bose-Einstein dans l'état $left|2,2right>$. Un protocole de type textit{stimulated Raman adiabatic passage} utilisant des champs micro-ondes, permet ensuite de transférer les atomes (condensés ou thermiques) vers l'état $left|2,1right>$. Cette source atomique a permis de réaliser des mesures du contraste des franges de Ramsey en fonction de la symétrie des potentiels piégeant les deux états de l'interféromètre. Le temps de décroissance du contraste mesuré permet de valider les développements théoriques sur le contraste de l'interféromètre. / In this manuscript we report the theoretical and experimental developments, in progress at TRT, aiming at the realisation of a cold atom accelerometer. This accelerometer uses an ultra-cold non-degenerated gas which is trapped in the vicinity of an atom chip during the whole interrogation sequence.We describe an interrogation protocol allowing the sensor to be sensitive to acceleration. This protocol uses a Ramsey sequence with a spatial separation of the two interferometer states. The signal and the contrast of this interferometer are derived and the use of shortcut to adiabadicity is considered to enable fast splitting and merging of the two states. We also describe a design of the accelerometer on an atom chip. This design use two dressed microwave potentials, one for each of the two interferometer states.We described the atom cooling experiment built during this thesis. Atoms of rubidium 87 have been cooled to Bose-Einstein condensation in state $left|2,2right>$. A stimulated Raman adiabatic passage protocol using microwave fields, allows to transfer an atomic cloud (condensed or thermal) to the state $left|2,1right>$. With this atomic source the contrast of the Ramsey fringes as a function of the symmetry between the interferometer traps have been measured. The measured contrast falling time is in good agreement with the theoretical prediction for the interferometer contrast.

Experimental and theoretical progress has been made toward the production and manipulation of novel atomic and molecular states. The design, construction and characterization of a driver for an acousto-optic modulator is presented which achieves a maximum diffraction efficiency of 54 % at 200 MHz, using a commercial modulator. A novel design is presented for a highly sensitive optical spectrum analyzer for displaying laser mode structure in real time. Utilizing programmable microcontrollers to read data from a CMOS image sensor illuminated by the diffraction pattern from a Fabry-Perot interferometer, this device can operate with beam powers as low as 3.3 micro-watts, at a fraction of the cost of equivalent products. Computational results are presented analyzing the behaviour of a model quantum system in the vicinity of an avoided crossing. The results are compared with calculations based on the Landau-Zener formula, with discussion of its limitations. Further computational work is focused on simulating expected conditions in the implementation of the STIRAP technique for coherent control of atoms and molecules in the beam experiment. The work presented provides tools to further the aim of producing large, mono-energetic populations of heavy Rydberg systems. / Thesis (Master, Physics, Engineering Physics and Astronomy) -- Queen's University, 2007-10-03 17:17:56.841

La plupart des protocoles de stockage quantique de l'information reposent sur l'enregistrement d'un signal lumineux dans une superposition d'états de longue durée de vie. L'élément clé pour réaliser un tel enregistrement est un système atomique à 3 niveaux en Lambda, où deux sous-niveaux fondamentaux sont couplés optiquement à un même niveau supérieur. L'excitation optique est alors stockée dans une superposition des deux sous-niveaux fondamentaux. Les cristaux dopés aux ions de terre rare sont des candidats prometteurs pour ces applications, car ils présentent des durées de vie des cohérences optiques et hyperfines particulièrement longues. Cette thèse est consacrée à l'étude de l'ion thulium, un ion de terre rare non-Kramers, comme alternative aux ions Pr et Eu qui ont longtemps été considérés comme étant les seuls candidats possibles pour la réalisation d'une mémoire quantique. Grâce à son spin nucléaire 1/2, le thulium présente une structure de sous-niveaux Zeeman nucléaires particulièrement simple, dont l'espacement peut être aisément contrôlé à l'aide d'un champ magnétique externe. De plus, la longueur d'onde d'absorption du thulium à 793 nm est accessible aux lasers à semi-conducteurs qui peuvent être facilement stabilisés en dessous du kHz. Au cours de cette thèse, nous avons construit un système à 3 niveaux en Lambda dans le Tm:YAG. Nous avons également mis en oeuvre des processus cohérents permettant de manipuler optiquement un état de superposition de spin nucléaire, comme les échos Raman et le STIRAP. L'ensemble des résultats obtenus montrent que le thulium est un bon candidat pour la démonstration de certains protocoles de mémoire quantique.

Strong coherence in quasi-resonant laser driven system interferes with effective relaxations, resulting in behaviors like, coherent population trapping and Electromagnetically induced transparency. The Raman system can optimize this utilizing excited coherence in the lambda system when exposed to counter- intuitive pump-stokes pulses. The phenomenon can result in complete population transfer between vibrational levels called Stimulated Raman adiabatic passage(STIRAP). STIRAP and CHIRAP have been studied with Gaussian and chirped pulses. The optical propagation effects in dense medium for these phenomenon is studied to calculate the limitations and induced coherences. Further, the effect of rotational levels has been investigated. The molecular vibrational coherence strongly depends on the effect of rotational levels. The change in coherence interaction for ro-vibrational levels are reported and explained. We have considered the effects on the phase of radiation related to rotational mechanical motion of quantum system by taking advantages in ultra strong dispersion medium provided by quantum coherence in lambda system. The enhanced Fizeau effect on a single atom is observed.

Doctor of Philosophy / Department of Physics / B.D. DePaola / In recent years, coherent excitation techniques have focused on the ability to efficiently prepare atomic or molecular systems into a selected state. Such population control plays a key role in cutting-edge research taking place today, such as in the areas of quantum information and laser-controlled chemical reactions. Stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) is a widely-used coherent excitation technique that provides a relatively robust control mechanism for efficiently exciting a target population into a desired state. While the technique is well proven, current experimental techniques yield little information on the population dynamics taking place throughout the excitation process, and experimentalists rely solely on final excited-state measurements to determine the efficiency of population transfer. This dissertation presents a unique diagnostic tool to measure multilevel coherent population transfer on a short (nanosecond) timescale. The technique described here uses magneto-optical trap recoil ion momentum spectroscopy (MOTRIMS) as a noninvasive probe of a coherently-controlled system. It provides extremely detailed information about the excitation process, and highlights some important characteristics seen in excited populations that would otherwise be misleading or completely overlooked if one were to use more traditional diagnostic techniques. This dissertation discusses both the theoretical and experimental results applied to three-level coherently excited target populations of Rb-87.

Ce mémoire s’inscrit dans le cadre des recherches sur les molécules ultra-froides, en forte expansion depuis plusieurs années. Contrairement aux atomes, les molécules ne peuvent que très difficilement être refroidies par laser. Il est donc nécessaire d’explorer des méthodes alternatives pour parvenir à la création de gaz moléculaires ultra-froids. Ce travail théorique s’est focalisé sur une classe particulière de molécules diatomiques hétéronucléaires, présentant un moment dipolaire électrique ou magnétique intrinsèque à l’origine de leurs interactions mutuelles anisotropes.Sur la base de la connaissance précise de la spectroscopie des molécules KRb et KCs (présentant un moment dipolaire électrique intrinsèque notable), combinée à des résultats théoriques, nous avons modélisé le refroidissement de leurs degrés de liberté internes au moyen du passage adiabatique Raman stimulé (STIRAP), processus laser conduisant les molécules dans leur état fondamental absolu. Plusieurs schémas STIRAP ont été discutés et comparés entre eux du point de vue de leur efficacité.Nous avons ensuite étudié la molécule RbCa, dont la spectroscopie est encore inconnue. Cette espèce est caractérisée par la présence conjointe d’un moment dipolaire électrique et magnétique permanent, qui présente un fort intérêt pour les possibilités de contrôle des interactions anisotropes qu’ils engendrent. Nous avons déterminé la structure électronique de RbCa par deux méthodes différentes de chimie quantique, permettant ainsi de qualifier la précision des résultats. Nous avons aussi proposé un schéma de transitions laser conduisant à la formation de molécules froides de RbCa à partir des atomes séparés.La manipulation et le piégeage de molécules repose sur la connaissance de leur réponse à un champ électromagnétique externe, caractérisée par leur polarisabilité dipolaire dynamique. Les calculs de chimie quantique entrepris plus haut nous ayant permis d’accéder à des états moléculaires très excités, nous avons déterminé cette quantité pour toute une série de molécules diatomiques (dimères alcalins, RbCa, RbSr,…). Nous avons ainsi pu déterminer les paramètres optimaux pour le piégeage laser de ces molécules. / This thesis deals with ultracold molecules research, which interest has been growing for several years. Unlike atoms, laser-cooling molecules is very difficult. Alternative methods are necessary to be searched for in order to create ultracold molecular gases. This theoretical work focuses on a particular type of heteronuclear diatomic molecules, possessing an intrinsic electric or magnetic dipole moment, from which originates their mutual anisotropic interactions.Based on the precise knowledge of KRb and KCs molecules (possessing a significant intrinsic electric dipole moment) spectroscopy, combined with theoretical results, the cooling of their internal degrees of freedom using Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP), a laser process bringing molecules towards their absolute ground state, has been modelled. Several STIRAP schemes have been investigated and compared regarding their efficiency. The RbCa molecule has then been studied, which spectroscopy is still unknown. The ability of controlling the anisotropic interactions induced by the simultaneous presence of an electric and magnetic dipole moment provided by this species is a clear advantage. The electronic structure of RbCa has been computed with two methods, thus allowing to estimate the reliability of the results. A scheme of laser transitions bringing to the formation of cold RbCa molecules from separate atoms has been proposed.Manipulating and trapping molecules relies on the precise knowledge of their response to an external electromagnetic field, characterised by their dynamic dipolar polarisability. The quantum chemistry calculations mentioned earlier allowed us to compute high-lying excited states, dynamic polarisability has then been computed for a whole set of diatomic molecules (alkali dimers, RbCa, RbSr, …). The optimal parameters for trapping those molecules has then been determined.