Cooling is indispensable for trapping and observing single free atoms. In atomic physics, this can be achieved efficiently by laser cooling. Conventional methods to laser cool atoms are based on repeated optical pumping cycles followed by spontaneous emission of a photon from the atom. Such pumping schemes can only be applied to certain atomic species, which have a closed optical transition. Drawbacks caused by photons spontaneously emitted from the atom can be avoided in the strongly coupled atom-cavity system in which energy and entropy can be removed by photons lost from the cavity. This thesis reports on the first observation of this cooling mechanism which does not rely on spontaneous emission. In the experiment, a single atom is captured in an intracavity dipole trap. Illuminating the system with a weak, slightly blue-detuned light beam extends the storage time of the atom in the trap. The observed cooling force is at least five times larger than the force achieved by free-space cooling methods at comparable excitation of a two-level atom. Utilising cavity cooling, single atoms are prepared strongly-coupled to the mode of a high-finesse cavity. This allows to observe two well-resolved normal-mode peaks in both the cavity transmission as well as in the trap lifetime. The experiment is in agreement with a Monte Carlo simulation, demonstrating the localisation of the atom to within a tenth of a wavelength. The ability to individually excite the normal modes opens new possibilities to use this system for applications in quantum information science, including the realisation of quantum-logic gates. In the future cavity cooling might be applied to systems which cannot be cooled by conventional methods as for instance molecules or an atom carrying a quantum bit.     «

Cooling is indispensable for trapping and observing single free atoms. In atomic physics, this can be achieved efficiently by laser cooling. Conventional methods to laser cool atoms are based on repeated optical pumping cycles followed by spontaneous emission of a photon from the atom. Such pumping schemes can only be applied to certain atomic species, which have a closed optical transition. Drawbacks caused by photons spontaneously emitted from the atom can be avoided in the strongly coupled at...     »

Das Kühlen einzelner Atome ist die Voraussetzung dafür, sie in einer Lichtfalle einfangen und beobachten zu können. Mit der Laserkühlung steht der Atomphysik eine effiziente Methode dafür zur Verfügung. Deren Nachteil besteht jedoch darin, daß sie auf der wiederholten Absorption und spontanen Emission von Photonen beruht. Daher ist diese Methode nur für wenige Atomsorten, die einen geschlossenen Übergang aufweisen, anwendbar. Im stark gekoppelten Atom-Resonator-System kann die spontane Emission von Photonen vom Atom vermieden werden, indem Energie und Entropie durch aus der Resonatormode transmittierte Photonen abgeführt werden. In dieser Arbeit wird diese neue Kühlmethode, die nicht auf spontaner Emission beruht, erstmals verwirklicht. Im Experiment wird ein einzelnes Atom in einer Resonator-Dipolfalle eingefangen. Beleuchtet man dieses System mit einem schwachen, leicht blau verstimmten Laserstrahl, so wird die Speicherzeit des Atoms in der Falle verlängert. Die beobachtete Kühlkraft ist mehr als fünfmal stärker als die Kühlkraft, die bei vergleichbarer Anregung eines Zwei-Niveau-Atoms, mit Laserkühlmethoden im freien Raum, erreicht wird. Mittels dieser Resonator-Kühlmethode werden einzelne Atome in der Mode des Hochfinesse-Resonators lokalisiert. Dadurch können die Normalmoden des gekoppelten Systems sowohl in der Transmission als auch in der Lebensdauer der Falle aufgelöst werden. Das Experiment wird durch eine Monte-Carlo-Simulation beschrieben, welche zeigt, daß das Atom auf ein Zehntel der Wellenlänge lokalisiert werden kann. Die unabhängige Anregung der beiden Normalmoden eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten in der Quanteninformationsverarbeitung, beispielsweise die Realisierung Quantenlogischer Gatter. In der Zukunft könnte die Resonatorkühlung auch auf Systeme angewandt werden, die mittels konventioneller Methoden nicht gekühlt werden können, wie etwa Moleküle oder ein Atom, in welchem ein Quantenbit gespeichert ist.     «

Das Kühlen einzelner Atome ist die Voraussetzung dafür, sie in einer Lichtfalle einfangen und beobachten zu können. Mit der Laserkühlung steht der Atomphysik eine effiziente Methode dafür zur Verfügung. Deren Nachteil besteht jedoch darin, daß sie auf der wiederholten Absorption und spontanen Emission von Photonen beruht. Daher ist diese Methode nur für wenige Atomsorten, die einen geschlossenen Übergang aufweisen, anwendbar. Im stark gekoppelten Atom-Resonator-System kann die spontane Emission...     »