Published February 11, 1994 | Version v1
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Electrodynamics in cavity: resonant experiments in strong coupling regime

Description

Two neighbouring Rydberg levels of an alkali atom coherently exchange one quantum of energy with the electromagnetic field of a high quality factor microwave cavity. Such a situation is conceptually the simplest way to observe the atom-field coupling at the elementary scale. This work presents an experimental demonstration of this interaction, in a regime where the coherent atom-field evolution dominates the damping processes. First, the atom-field coupling is described theoretically (both classically and quantum mechanically), along with some demonstrative experiments. Next, an experiment to perform spectroscopy on the first excited states of the (atom + cavity) system is described. With this device, the frequency of the energy exchange between a three-atom sample and a resonant mode of the electromagnetic field has been measured. Finally, a new experimental apparatus is presented. It makes use of the Ramsey separated oscillatory field technique and has very high spectral resolution. It will allow the observation, in the microwave domain, of the elementary coupling of a single two-level atom with a single electromagnetic field mode, in both the spectral and time domains. Moreover, the realization of this sensitive device, in which the atomic and cavity damping is negligible, will allow fundamental experiments in Quantum Mechanics (non-demolition measurements, Schroedinger cat states, etc.) to be performed using a non-resonant atom-field interaction. (author)

Abstract (French)

Dans le domaine micro-onde, deux niveaux de Rydberg voisins d'un atome alcalin, d'une part, et le champ electromagnetique confine dans une cavite supraconductrice de tres haute surtension, d'autre part, echangent de maniere coherente un quantum d'energie lorsqu'ils sont a resonance. Une telle situation est conceptuellement la plus simple dans laquelle le couplage matiere-rayonnement se manifeste a l'echelle elementaire. Ce memoire presente une mise en evidence experimentale de cette interaction, dans une situation ou l'evolution coherente atome-champ domine les processus dissipatifs. Le couplage atome-champ est d'abord decrit theoriquement (dans un point de vue classique puis quantique), ainsi que des experiences permettant de le mettre en evidence. Ensuite, une experience de spectroscopie des premiers etats excites du systeme (atome + cavite) est exposee. Elle a permis d'acceder a la frequence avec laquelle un echantillon de trois atomes et un mode resonnant du champ echangent leur energie. Enfin, un nouveau montage experimental est presente. Il possede une resolution spectrale tres elevee grace a l'utilisation de la technique du champ oscillant separe de Ramsey, et doit permettre l'observation, dans le domaine micro-onde, du couplage elementaire entre un seul atome a deux niveaux et un seul mode du champ electromagnetique, cette observation pouvant se faire aussi bien spectralement que temporellement. La realisation d'un montage experimental aussi sensible, et dans lequel les amortissements de l'atome-et de la cavite sont rendus negligeables, ouvre egalement la voie a des tests subtils de la Mecanique Quantique (mesures sans demolition, chats de Schroedinger, etc.) mettant en jeu une interaction atome-champ non resonnante. (auteur)

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Original title (French)
Electrodynamique en cavite: experiences resonnantes en regime de couplage fort

Publishing Information

Imprint Pagination
164 p.
Report number
FRNC-TH--10803

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109 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses