Autler-Townes-Effekt (auch Autler-Townes-Splitting und ) ist in der Quantenoptik die Aufspaltung eines atomaren oder molekularen Energieniveaus durch die Wechselwirkung mit einem starken elektromagnetischen Wechselfeld - insbesondere, wenn dessen Frequenz (nahezu) resonant zu einer Übergangsfrequenz aus oder in diesen Zustand ist. Damit stellt er das dynamische Äquivalent zum Stark-Effekt dar. Der Effekt wurde 1955 von Stanley Autler und Charles Hard Townes erstmals theoretisch beschrieben und experimentell bei Mikrowellenexperimenten an Carbonylsulfid-Molekülen nachgewiesen. Er ist historisch eng mit der Entwicklung von Laser und Maser verbunden.
Der Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn das Laserfeld (nahezu) resonant mit einem Spektralübergang des Atoms ist. Dann bilden sich aufgrund der starken Kopplung des Felds an den ursprünglichen atomaren Zustand zwei neue quantenmechanische Eigenzustände, die aus der Überlagerung des Atomzustandes und der Photonen des Feldes bestehen. Der Energieunterschied zwischen diesen beiden Zuständen entspricht der Rabi-Frequenz. Eine alternative Beschreibung des Phänomens deutet es als Rabi-Oszillation zwischen den beiden Zuständen des Spektralübergangs.
Physikalische Beschreibung Beim Autler-Townes-Effekt betrachtet man häufig ein Λ-, V- oder Leiter-förmiges Drei-Niveau-System. Ein starkes Kopplungsfeld verbindet zwei der Zustände, : für ground und excited, während ein schwächeres Sondenfeld einen Übergang zu einem dritten Zustand abtastet.
Dressed States Die Eigenzustände des gekoppelten Atom-Photon-Systems haben die Form
, wobei ein geeignet bestimmter Mischungswinkel ist.
Die beobachteten Aufspaltung entspricht der Energiedifferenz dieser Zustände.
Experimentelle Beobachtung Autler-Townes-Splitting wird in zahlreichen Experimenten beobachtet, unter anderem in:
Atom- und Molekülspektroskopie Rydberg-Atomen Ionenfallen magneto-optischen Fallen supraleitenden Qubits (Circuit QED) Festkörper-Quantenpunkten
Typischerweise erscheint das Splitting als zwei Absorptions- oder Emissionspeaks mit einer charakteristischen Intensitätslücke.
Abgrenzung zu verwandten Effekten
AC-Stark-Effekt Der AC-Stark-Effekt beschreibt kleine Verschiebungen eines Energieniveaus durch ein externes Feld. Der Autler-Townes-Effekt stellt das starke Regime desselben physikalischen Mechanismus dar und führt zu einer vollständigen Aufspaltung.
Elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) Der Effekt wird häufig mit EIT verwechselt.
Beim Autler-Townes-Effekt dominiert die Rabi-Aufspaltung. Bei EIT entsteht eine interferenzbasierte Transparenz ohne ausgeprägte Aufspaltungsstruktur.
Mathematisches Modell Das System lässt sich durch das Hamiltonoperator-Modell
beschreiben, wobei
der ungestörte Hamiltonoperator mit den Eigenzuständen ist und
die Wechselwirkung mit dem Laserfeld beschreibt.
Die Eigenfrequenzen des Systems verschieben sich zu:
mit
: ungestörte Übergangsfrequenz : Verstimmung des Laserfelds : Rabi-Frequenz.
Anwendungen
Präzisionsspektroskopie Kontrolle von Qubit-Zuständen in Quantencomputern optische Modulation (slow und fast light) laserbasierte Kühlungstechniken Quantensensorik
Einzelnachweise
Kategorie:Quantenoptik