Bottle microresonators for applications in quantum optics and all-optical signal processing

This thesis reports on the experimental realization, characterization and application of a novel microresonator design. The so-called “bottle microresonator” sustains whispering-gallery modes in which light fields are confined near the surface of the micron-sized silica structure by continuous total internal reflection. While whispering-gallery mode resonators in general exhibit outstanding properties in terms of both temporal and spatial confinement of light fields, their monolithic design makes tuning of their resonance frequency difficult. This impedes their use, e.g., in cavity quantum electrodynamics (CQED) experiments, which investigate the interaction of single quantum mechanical emitters of predetermined resonance frequency with a cavity mode. In contrast, the highly prolate shape of the bottle microresonators gives rise to a customizable mode structure, enabling full tunability. The thesis is organized as follows: In chapter I, I give a brief overview of different types of optical microresonators. Important quantities, such as the quality factor Q and the mode volume V, which characterize the temporal and spatial confinement of the light field are introduced. In chapter II, a wave equation calculation of the modes of a bottle microresonator is presented. The intensity distribution of different bottle modes is derived and their mode volume is calculated. A brief description of light propagation in ultra-thin optical fibers, which are used to couple light into and out of bottle modes, is given as well. The chapter concludes with a presentation of the fabrication techniques of both structures. Chapter III presents experimental results on highly efficient, nearly lossless coupling of light into bottle modes as well as their spatial and spectral characterization. Ultra-high intrinsic quality factors exceeding 360 million as well as full tunability are demonstrated. In chapter IV, the bottle microresonator in add-drop configuration, i.e., with two ultra-thin fibers coupled to one bottle mode, is discussed. The highly efficient, nearly lossless coupling characteristics of each fiber combined with the resonator's high intrinsic quality factor, enable resonant power transfers between both fibers with efficiencies exceeding 90%. Moreover, the favorable ratio of absorption and the nonlinear refractive index of silica yields optical Kerr bistability at record low powers on the order of 50 µW. Combined with the add-drop configuration, this allows one to route optical signals between the outputs of both ultra-thin fibers, simply by varying the input power, thereby enabling applications in all-optical signal processing. Finally, in chapter V, I discuss the potential of the bottle microresonator for CQED experiments with single atoms. Its Q/V-ratio, which determines the ratio of the atom-cavity coupling rate to the dissipative rates of the subsystems, aligns with the values obtained for state-of-the-art CQED microresonators. In combination with its full tunability and the possibility of highly efficient light transfer to and from the bottle mode, this makes the bottle microresonator a unique tool for quantum optics applications.

Entwicklung der zeitaufgelösten Photoemissions-Elektronenmikroskopie für die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik von mikrostrukturierten magnetischen Schichten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskopie (TR-PEEM) für die in-situ Untersuchung ultraschneller dynamischer Prozesse in dünnen mikrostrukturierten magnetischen Schichten während eines rasch verändernden externen Magnetfelds entwickelt. Das Experiment basiert auf der Nutzung des XMCD-Kontrasts (X-ray magnetic circular dichroism) mit Hilfe des zirkularpolarisierten Lichts von Synchrotronstrahlungsquellen (Elektronenspeicherringen BESSY II (Berlin) und ESRF (Grenoble)) für die dynamische Darstellung der magnetischen Domänen während ultraschneller Magnetisierungsvorgänge. Die hier entwickelte Methode wurde als erfolgreiche Kombination aus einer hohen Orts- und Zeitauflösung (weniger als 55 nm bzw. 15 ps) realisiert. Mit der hier beschriebenen Methode konnte nachgewiesen werden, dass die Magnetisierungsdynamik in großen Permalloy-Mikrostrukturen (40 µm x 80 µm und 20 µm x 80 µm, 40 nm dick) durch inkohärente Drehung der Magnetisierung und mit der Bildung von zeitlich abhängigen Übergangsdomänen einher geht, die den Ummagnetisierungsvorgang blockieren. Es wurden neue markante Differenzen zwischen der magnetischen Response einer vorgegebenen Dünnfilm-Mikrostruktur auf ein gepulstes externes Magnetfeld im Vergleich zu dem quasi-statischen Fall gefunden. Dies betrifft die Erscheinung von transienten raumzeitlichen Domänenmustern und besonderen Detailstrukturen in diesen Mustern, welche im quasi-statischen Fall nicht auftreten. Es wurden Beispiele solcher Domänenmuster in Permalloy-Mikrostrukturen verschiedener Formen und Größen untersucht und diskutiert. Insbesondere wurde die schnelle Verbreiterung von Domänenwänden infolge des präzessionalen Magnetisierungsvorgangs, die Ausbildung von transienten Domänenwänden und transienten Vortizes sowie die Erscheinung einer gestreiften Domänenphase aufgrund der inkohärenten Drehung der Magnetisierung diskutiert. Ferner wurde die Methode für die Untersuchung von stehenden Spinwellen auf ultradünnen (16 µm x 32 µm groß und 10 nm dick) Permalloy-Mikrostrukturen herangezogen. In einer zum periodischen Anregungsfeld senkrecht orientierten rechteckigen Mikrostruktur wurde ein induziertes magnetisches Moment gefunden. Dieses Phänomen wurde als „selbstfangende“ Spinwellenmode interpretiert. Es wurde gezeigt, dass sich eine erzwungene Normalmode durch Verschiebung einer 180°-Néelwand stabilisiert. Wird das System knapp unterhalb seiner Resonanzfrequenz angeregt, passt sich die Magnetisierungsverteilung derart an, dass ein möglichst großer Teil der durch das Anregungsfeld eingebrachten Energie im System verbleibt. Über einem bestimmten Grenzwert verursacht die Spinwellenmode nahe der Resonanzfrequenz eine effektive Kraft senkrecht zur 180°-Néel-Wand. Diese entsteht im Zentrum der Mikrostruktur und wird durch die streufeldinduzierte Kraft kompensiert. Als zusätzliche Möglichkeit wurden die Streufelder von magnetischen Mikrostrukturen während der dynamischen Prozesse quantitativ bestimmt und das genaue zeitliche Profil des Streufelds untersucht. Es wurde gezeigt, dass das zeitaufgelöste Photoemissions Elektronenmikroskop als ultraschnelles oberflächensensitives Magnetometer eingesetzt werden kann.

Synthese und Strukturierung von funktionalisierten Oligothiophenen

AbstractIn this thesis t-BOC and methacrylate functionalisedoligothiophenes with 3 – 5 thiophene units where synthesizedby Stille coupling. The material was structured by methodslike stamping and photolithography.The polymerizability of the methacrylates was proved by thepolymerization in solution with AIBN and subsequent analysisby gel permeation chromatography and differential scanningcalorimetry. The conductivities of the doped polymer filmswere in the range published for oligothiophenes.The optical and electrochemical properties of the compoundswere measured and compared to known compounds.The cleavage of the t-BOC groups was followed bythermogravimetry and infrared spectroscopy. The cleavagetemperature can be lowered by up to 100 °C by the use ofphoto acid generators. The cleavage is complete after 2hours annealing.The methacrylates were structured by microinjection mouldingin capillaries (MIMIC), stamping with soft silicone moulds,filling of patterned substrates and preperation of an opalreplica. By MIMIC line patterns with 5- 50 µm line widthswere obtained. The stamping succeeded in structures with 500nm line width only, on which liquid crystals wereorientated. This shows the possible application asorientation layers in LED’s with polarized emission. Withsilica opal templates the three-dimensional structuring ofthe oligomers succeeded.ZusammenfassungIn dieser Arbeit wurden neue funktionalisierteOligothiophene hergestellt und unter Anwendung verschiedenerVerfahren wie Stempeltechniken oder Photolithographiestrukturiert. Dazu wurden Oligothiophene mit drei bis fünfThiopheneinheiten durch Stille-Kupplung synthetisiert. Alsfunktionelle Gruppen wurden t-BOC-Ester undMethacrylsäureester eingeführt.Die Polymerisierbarkeit der Methacrylate wurde durch diePolymerisation mit AIBN in Lösung und anschließendeGelpermeationschromatographie und Differentialkalorimetrienachgewiesen. Die Leitfähigkeiten der dotierten Polymerfilmelagen im Bereich der für Oligothiophene bekannten Werte.Die optischen und elektrochemischen Eigenschaften derVerbindungen wurden untersucht und mit den Eigenschaftenbekannter Verbindungen verglichen. Die Abspaltung der t-BOC-Gruppen wurde thermogravimetrischund infrarotspektroskopisch verfolgt. Es wurde gezeigt, daßdie Abspaltungstemperatur durch den Zusatz einesPhotosäuregenerators um bis zu 100°C gesenkt wird und dieAbspaltung nach zweistündigem Tempern vollständig ist.Die methacrylatfunktionalisierten Verbindungen wurdenstrukturiert durch Micro Injection Moulding in Capillaries(MIMIC), Prägen mit weichen Silikonstempeln, Füllen vonstrukturierten Substraten und die Herstellung einerOpalreplika. Durch die Strukturierung mit MIMIC wurdenLinienstrukturen mit Linienbreiten von 5-50 µm erhalten.Durch Prägen wurden Strukturen mit Linienbreiten von nur 500nm erreicht, auf diesen gelang die Orientierung vonFlüssigkristallen. Dies zeigt die mögliche Anwendung alsOrientierungsschichten in Leuchtdioden mit polarisierterEmission. Durch die Verwendung von Siliziumoxidopalen alsTemplate gelang die dreidimensionale Strukturierung derOligomere.

Constructing correlated spin states with neutral atoms in optical lattices

This thesis reports on the experimental investigation of controlled spin dependent interactions in a sample of ultracold Rubidium atoms trapped in a periodic optical potential. In such a situation, the most basic interaction between only two atoms at one common potential well, forming a micro laboratory for this atom pair, can be investigated. Spin dependent interactions between the atoms can lead to an intriguing time evolution of the system. In this work, we present two examples of such spin interaction induced dynamics. First, we have been able to observe and control a coherent spin changing interaction. Second, we have achieved to examine and manipulate an interaction induced time evolution of the relative phase of a spin 1/2-system, both in the case of particle pairs and in the more general case of N interacting particles. The first part of this thesis elucidates the spin-changing interaction mechanism underlying many fascinating effects resulting from interacting spins at ultracold temperatures. This process changes the spin states of two colliding particles, while preserving total magnetization. If initial and final states have almost equal energy, this process is resonant and leads to large amplitude oscillations between different spin states. The measured coupling parameters of such a process allow to precisely infer atomic scattering length differences, that e.g. determine the nature of the magnetic ground state of the hyperfine states in Rubidium. Moreover, a method to tune the spin oscillations at will based on the AC-Zeeman effect has been implemented. This allowed us to use resonant spin changing collisions as a quantitative and non-destructive particle pair probe in the optical lattice. This led to a series of experiments shedding light on the Bosonic superfluid to Mott insulator transition. In a second series of experiments we have been able to coherently manipulate the interaction induced time evolution of the relative phase in an ensemble of spin 1/2-systems. For two particles, interactions can lead to an entanglement oscillation of the particle pair. For the general case of N interacting particles, the ideal time evolution leads to the creation of spin squeezed states and even Schrödinger cat states. In the experiment we have been able to control the underlying interactions by a Feshbach resonance. For particle pairs we could directly observe the entanglement oscillations. For the many particle case we have been able to observe and reverse the interaction induced dispersion of the relative phase. The presented results demonstrate how correlated spin states can be engineered through control of atomic interactions. Moreover, the results point towards the possibility to simulate quantum magnetism phenomena with ultracold atoms in optical traps, and to realize and analyze many novel quantum spin states which have not been experimentally realized so far.

Nanomechanical and phononic properties of structured soft materials

Significant interest in nanotechnology, is stimulated by the fact that materials exhibit qualitative changes of properties when their dimensions approach ”finite-sizes”. Quantization of electronic, optical and acoustic energies at the nanoscale provides novel functions, with interests spanning from electronics and photonics to biology. The present dissertation involves the application of Brillouin light scattering (BLS) to quantify and utilize material displacementsrnfor probing phononics and elastic properties of structured systems with dimensions comparable to the wavelength of visible light. The interplay of wave propagation with materials exhibiting spatial inhomogeneities at sub-micron length scales provides information not only about elastic properties but also about structural organization at those length scales. In addition the vector nature of q allows, for addressing the directional dependence of thermomechanical properties. To meet this goal, one-dimensional confined nanostructures and a biological system possessing high hierarchical organization were investigated. These applications extend the capabilities of BLS from a characterization tool for thin films to a method for unravelingrnintriguing phononic properties in more complex systems.