This study uses the ACS first-term general chemistry exam to determine if one curriculum approach is more effective in increasing student success than the other based on their performance on the ACS exam. Two chemistry curriculum approaches were evaluated in this study; the traditional curriculum (TC) and the Atoms First (AF) approach. The sample population was first-semester general chemistry students at Collin College in Frisco, TX. An independent sample t-test was used to determine if there were differences in overall performance between the two curriculum approaches on two different versions of the ACS exam. The results from this study show that AF approach may be a better alternative to the TC approach as they performed statistically significantly better on the 2005 exam version. Factor analysis was used to determine if there were differences between the two curriculum approaches by topic on the ACS exam. Eight different topics were chosen based on topics listed on the ACS Examinations Institute Website. The AF students performed better at a statistically significant level than the TC students on the topics of descriptive chemistry and periodicity, molecular structure, and stoichiometry. Item response theory was used to determine the chemistry content misconceptions held by the students taught under both curriculum approaches. It was determined that for both curriculum groups the same misconceptions as determined by the Zcrit values persisted.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第21550号 / 理博第4457号 / 新制||理||1640(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 戸塚 圭介, 教授 川上 則雄, 教授 前野 悦輝 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Dynamik von Gasen aus hoch angeregten Atomen. Es wird sowohl die Erzeugung von Rydberggasen, als auch ihre Dynamik nach der Laser-Anregung betrachtet. Zur Beschreibung des Anregungsprozesses wird ein quasi-klassischer Zugang verwendet. Er basiert auf der adiabatischen Eliminierung von Kohärenzen aus der vollen Quanten-Beschreibung und führt auf eine klassische Mastergleichung. Diese Näherung ist gerade für typische experimentelle Situationen durchführbar. Die klassische Mastergleichung kann durch ein simples Monte-Carlo-Verfahren für Systeme aus zehntausenden von Teilchen unter voller Berücksichtigung der Rydberg-Rydberg-Wechselwirkung gelöst werden. Mit Hilfe des Monte-Carlo-Verfahrens wird die Anregung von Rydbergatomen in einem ultrakalten Gas untersucht. Die in Experimenten gefundene Anregungsblockade wird durch die Methode gut beschrieben. Bei der Anregung von Rydbergatomen aus einem optischen Gitter wird sogar eine Anregungsverstärkung - eine Antiblockade - vorhergesagt. Die Antiblockade in einem Gitter erlaubt eine Charakterisierung räumlicher Korrelationen der Rydbergatome allein durch die Messung ihrer Dichte. Sie ist robust gegenüber Gitterfehlstellen und sollte mit heutigen experimentellen Techniken nachweisbar sein. Für die Anregung im ungeordneten Gas wird gezeigt, dass sich die räumlichen Korrelationen der Rydbergatome indirekt in den Momenten der Häufigkeitsverteilung angeregter Atome widerspiegeln. Durch die Untersuchung der Fluktuationen in der Zahl angeregter Atome lassen sich die Unterschiede in den Paarkorrelationsfunktionen bei Blockade und Antiblockade im Gas messen. Ein Vergleich mit experimentellen Daten zeigt eine qualitativ gute Übereinstimmung. Für die Dynamik des Rydberggases nach dem Abschalten der Anregungslaser ist der Fall besonders interessant, dass Atome in unterschiedlichen Rydbergzuständen resonant ihre Anregungsenergie austauschen können. In der Arbeit wird argumentiert, dass sich der räumliche Transfer von Anregungsenergie in Rydbergsystemen ohne störende Umgebungseinflüsse gezielt untersuchen lässt. Mit Hilfe der Frenkelschen Exziton-Theorie wird der Energietransfer entlang einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen untersucht. Zusätzlich wird dargelegt, dass die exzitonische Anregung auch mechanische Kräfte auf die Rydbergatome induziert. Diese werden mit Hilfe einer quanten-klassischen Methode analysiert. Der Zusammenhang der auftretenden Kräfte mit den Symmetrien der exzitonischen Eigenfunktionen wird aufgezeigt. In einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen wird ein adiabatischer Energietransfer vorhergesagt, der an die Bewegung der Atome gebunden ist. Er läuft vollständig auf einer einzigen adiabatischen Potentialfläche ab. Dieser Transport ist langsam genug, um mit heutigen experimentellen Methoden im Prinzip orts- und zeitaufgelöst abgebildet zu werden.

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Dans cette thèse, nous étudions la diffusion cohérente de la lumière se propageant dans un milieu désordonné. Nous nous intéressons à des phénomènes tels que la super- et sousradiance et la localisation d’Anderson qui sont liées aux interférences et au désordre spatial. Cependant, la différence fondamentale entre la sousradiance et la localisation d'Anderson doit encore être clarifiée. Cette thèse donne de nouvelles idées pour la compréhension de ces phénomènes et nous présentons une nouvelle méthode pour observer la localisation d'Anderson. On développe un modèle à champ moyen qui ne contient pas de désordre, et nous montrons que super- et sousradiance ne nécessitent pas de désordre contrairement à la localisation d’Anderson. Dans ce travail théorique, le couplage entre la lumière et les atomes est réduit à une matrice de couplage entre les atomes en calculant la trace sur les degrés de liberté de la lumière, ce qui nous amène à un problème linéaire pour les dipôles atomiques. L'étude des valeurs propres et des modes propres de cette matrice permet de déterminer des modes super- et sousradiant, et de sonder la transition de phase de localisation avec une scaling analysis. De plus, le lien avec l'expérience est fait en montrant que les fluctuations de l’intensité augmentent à travers la transition de localisation. Le système est étudié en régime stationnaire, quand le milieu est continûment chargé par un laser et que celui-ci atteint l’équilibre, et en dynamique, quand le laser est éteint et que le milieu se décharge de l’énergie stockée. Enfin, nous présentons un travail préliminaire qui montre que le désordre diagonal peut être une bonne stratégie pour atteindre la localisation d’Anderson. / In this thesis, we investigate the coherent scattering of light propagating in a random medium. We are interested in phenomena like the super- and subradiance and Anderson localization that are related to waves interferences and spatial disorder. However, the fundamental difference between subradiance and Anderson localization still needs to be clarified. This thesis gives new elements for the understanding of these phenomena and we present a new method to observe Anderson localization. A mean-field model that does not contain disorder is developed, and we show that super- and subradiance do not require disorder whereas Anderson localization does. In this theoretical work, the coupling between the light and many atoms is reduced to a coupling matrix between the atoms by tracing over the degrees of freedom of the light, which results in a linear problem for the atomic dipoles. The study of the eigenvalues and eigenmodes of this matrix then allows to determine the super- and subradiant modes, and to probe the Anderson localization phase transition with a scaling analysis. Furthermore, the link to the experiment is realized by showing that the intensity fluctuations present an increase at the localization transition. The system is studied in the steady-state regime when the medium is continuously charged by a laser until reaches a stationary regime, and the decay dynamics, when the laser is switched off, so the cloud releases the energy stored. Finally, we present a preliminary work that shows that the diagonal disorder might be a good strategy to reach Anderson localization.

Les photons apparaissent comme des vecteurs d'information fiables, car ils interagissent peu avec leur environnement. Malheureusement, ils interagissent si faiblement entre eux que la réalisation directe de portes logiques optiques à deux qubits est impossible. La propagation à travers des milieux atomiques non-linéaires permet néanmoins d'engendrer des interactions photon-photon effectives. L'utilisation du phénomène de transparence électromagnétiquement induite (EIT) permet d'induire une forte non-linearité résonante -- néanmoins pas encore détectable dans le domaine quantique, sur une transition d'un système à trois niveaux en “échelle”. Pour augmenter les effets non-linéaires et atteindre le régime quantique, il a récemment été proposé de combiner l'approche EIT au blocage d'excitation induit par les fortes interactions dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg. En plaçant le milieu en cavité, on impose à la lumière des passages multiples et on accroît encore la non-linéarité optique. Ce type de dispositif a été étudié théoriquement et expérimentalement dans le régime dispersif et pour une non-linéarité faible, pour lequel un traitement classique du champ est adapté. Dans le présent mémoire, nous nous intéressons aux effets optiques non-linéaires induits par un milieu Rydberg dans le régime quantique.Dans le chapitre 1, nous présentons notre système d'étude, ses équations dynamiques et rappelons la définition et les principales propriétés de la fonction de corrélation d'intensité g^{2}que nous utilisons pour caractériser l'action de la non-linéarité sur le champ incident. Dans le chapitre 2, nous considérons le régime dispersif, i.e. lorsque l'état intermediaire est très désaccordé et peut être éliminé adiabatiquement. Nous utilisons l'approximation des bulles Rydberg selon laquelle le système peut être effectivement ramené à un ensemble de superatomes à deux niveaux couplés au mode de la cavité, décrit par le modèle de Tavis-Cummings forcé. Nous calculons analytiquement et numériquement la fonction g^{2}pour la lumière transmise, qui, selon les paramètres de la cavité, peut être “groupée” ou “dégroupée”. Dans le chapitre 3, nous présentons un traitement alternatif du système, qui nous permet d'étudier le régime résonant. Dans la limite d'un champ incident faible, nous dérivons analytiquement la fonction de corrélation g^{2} pour les lumières transmise et réfléchie, grâce à la factorisation des moyennes de produits d'opérateurs à l'ordre le plus bas de la théorie de perturbation. Nous proposons ensuite un modèle effectif non-linéaire à trois bosons pour le système couplé atomes-cavité. Enfin, nous étudions le régime résonant et observons de nouvelles caractéristiques de la fonction de corrélation g^{2}qui attestent la relation entre les conditions d'adaptation d'impédance de la cavité pour les différentes composantes du champ et les interactions dipôle-dipôle entre les atomes. Dans le chapitre 4, nous analysons le système dans le formalisme de Schwinger-Keldysh. En appliquant le théorème de Wick, nous développons perturbativement les fonctions de corrélation par rapport au Hamiltonien d'alimentation de la cavité et au Hamiltonien d'interaction dipôle-dipôle et effectuons une resommation complète par rapport à ce dernier. Nous retrouvons par cette méthode les résultats du Chapitre 3, sous une forme analytique. Nous allons aussi au-delà et derivons des expressions analytiques pour les composantes élastique et inélastique du spectre en transmission de la cavité. Nous identifions une structure de résonance polaritonique, jusque-là inconnue, que nous interprétons physiquement. Dans le chapitre 5, nous décrivons un protocole de porte photonique de phase de haute fidélité fondé sur le blocage Rydberg dans un ensemble atomique placé dans une cavité optique. Ce protocole peut être réalisé avec des cavités de finesse modérée et permet en principe un traitement efficace de l'information quantique codée dans des photons. / Photons appear as reliable information messengers since they interact very weakly with their environment. Unfortunately, they interact so weakly with each other that the direct implementation of optical two-qubit gates is impossible. The propagation through atomic nonlinear media however allows one to achieve effective photon-photon interactions. The technique of electromagnetically induced transparency (EIT) allows one to induce a strong resonant non-linearity -- not strong enough to be noticeable in the quantum domain though, on one of the transitions of a three-level ladder system. To enhance the nonlinear effects and reach the quantum regime, it was recently proposed to combine the EIT approach with the excitation blockade induced by the strong dipole-dipole interactions between Rydberg atoms. By putting the medium in a cavity, one imposes multiple passes to the light therefore increasing the optical nonlinearity. This kind of setup was studied both theoretically and experimentally in the dispersive regime and for a relatively weak nonlinearity, for which a classical treatment of the field is still valid. In this dissertation, we investigate the optical nonlinear effects induced by a Rydberg medium in the quantum regime.In chapter 1, we present our system, its dynamical equations and recall the definition and basic properties of the intensity correlation function g^{left(2right)}that we use to characterize the action of nonlinearity on the photonic field. In chapter 2, we consider the so-called dispersive regime, i.e. when the intermediate state is far detuned and can be adiabatically eliminated. We employ the Rydberg bubble approximation in which the system effectively consists in an ensemble of two-level superatoms coupled to the cavity mode, described by the driven Tavis-Cummings model. We compute analytically and numerically the g^{left(2right)}function of the transmitted light, which, depending on the cavity parameters, is shown to be either bunched or antibunched. In chapter 3, we present an alternative treatment of the system, which allows us to investigate the resonant regime. In the low-feeding limit, we analytically derive the correlation function g^{left(2right)}left(tauright)for the transmitted and reflected lights, based on the factorization of the lowest perturbative order of operator product averages. We then propose an effective non-linear three-boson model for the coupled atom-cavity system. Finally, we investigate the resonant regime and observe novel features of the correlation function g^{left(2right)}showing the interplay of impedance matching conditions and dipole-dipole interactions. In chapter 4, we analyze the system in the Schwinger-Keldysh formalism. Applying Wick's theorem, we perturbatively expand correlation functions with respect to both, feeding and dipole-dipole interactions Hamiltonians and perform a complete resummation with respect to the latter. By this method we recover the results of Chap. 3 in an analytic form. We also go beyond and derive analytic expressions for the elastic and inelastic components of the cavity transmission spectrum. We identify a polaritonic resonance structure in this spectrum, to our knowledge unreported so far, that we physically interpret. In chapter 5, we describe a novel scheme for high fidelity photonic controlled-phase gates using Rydberg blockade in an ensemble of atoms in an optical cavity. This protocol can be implemented with cavities of moderate finesse allowing for highly efficient processing of quantum information encoded in photons.

A group theoretic approach to Layzer's 1/2 expansion method is explored. In part this builds on earlier work of Wulfman(2), of Moshinsky et al(l4), and of Sinanoglu, Herrick(lS), and Kellman (16) on second row atoms. I investigate atoms with electrons in the 3s-3p-3d shell and find: 1. Wulfman's constant of motion accurately predicts configuration mixing for systems with two to eight electrons in the 3s-3p subshell. 2. The same constant of motion accurately predicts configuration mixing for systems with two electrons in the 3s-3p-3d shell. 3. It accurately predicts configuration mixing in systems of high angular momentum L and of high spin angular momentum S containing three electrons in the 3s-3p-3d shell, but gives less accurate results when L and S are both small. I also show how effective nuclear charges may be calculated by a group theoretical approach. In addition I explore several new methods for expressing electron repulsion operators in terms of operators of the 80(4,2) dynamical group of one - electron atoms.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第18284号 / 工博第3876号 / 新制||工||1595(附属図書館) / 31142 / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査)教授 野田 進, 教授 川上 養一, 教授 藤田 静雄 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20044号 / 理博第4229号 / 新制||理||1609(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 高橋 義朗, 教授 田中 耕一郎, 教授 川上 則雄 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20163号 / 理博第4248号 / 新制||理||1611(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 川上 則雄, 教授 高橋 義朗, 准教授 柳瀬 陽一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM