A single emitter emitting resonance fluorescence into a coherent beam

(English) This thesis studies the statistics of light produced by a single trapped atom in free space when interfaced with two orthogonal coherent beams. The atom scatters light into the same spatial mode as a weak coherent probe beam, giving rise to controllable photon statistics. Being able to control the photon statistics of a source can be used in applications in where different photon statistics are desired. A single emitter in free space, when left to interact with a single pumping beam can only scatter one photon at any given moment leading to anti-bunched photon statistics. However, Goncalves et al. (2021) studied the possibility of interfacing the atom with a strong pumping beam, and a weak probing beam, leading to a controllable photon statistics, where super- and sub-Poissonian statistics can be achieved by varying either the pump-probe ratio or the relative pump-probe phase. By controlling the pump-probe ratio, it is also possible to control the probe transmission through the atom. The experimental implementation of the "GMC" scheme shows the predicted behaviour where the transmission can be suppressed to 62 %, and tuned by changing the pump-probe ratio. It also shows that the photon statistics can go from super- to sub-Poissonian by changing the relative pump-probe phase, and the photon bunching achieved is also pump-probe ratio dependent. In addition, measurements of the atom temperature are presented in this thesis, where the interference of the pump and probe beams on the atom lead to a direct measurements of the rms displacement of the atom within the trap, which is linked directly to the atom temperature. These measurements demonstrate a new non-destructive method of estimating the atom temperature. (Català) Aquesta tesi estudia l'estadística de la llum produïda per un sol àtom atrapat en l'espai lliure quan s'interconnecta amb dos feixos coherents ortogonals. L'àtom dispersa la llum en el mateix mode espacial que un feix de sondeig coherent i feble, la qual cosa dona lloc a una estadística de fotons que pot ser controlada. La capacitat de controlar l'estadística dels fotons d'una font pot ser útil per a aplicacions en les quals es desitgen fotons amb distint tipus d'estadística. Un únic emissor en l'espai lliure, quan es deixa interactuar amb un únic feix de bombament, només pot dispersar un fotó en un moment donat. Això dona lloc a una estadística de fotons anti-agrupats. Tanmateix, Goncalves et al. (2021) van estudiar la possibilitat d'interconnectar l'àtom amb un feix de bombament fort i un feix de sondeig feble, la qual cosa dona lloc a una estadística de fotons que pot ser controlada, en la qual es poden aconseguir estadístiques super-poissonianas i sub-poissonianas variant la relació entre el bombament i el sondeig o la fase relativa entre tots dos. En controlar la relació bombo-sondeig, també és possible controlar la transmissió del sondeig a través de l'àtom. La implementació experimental de l'esquema "GMC" mostra el comportament previst, en el qual la transmissió pot suprimir-se fins al 62 % i ajustar-se canviant la relació bombament-sondeig. També mostra que l'estadística dels fotons pot passar de super-poissoniana a sub-poissoniana canviant la fase relativa de bombament-sondejo, i que l'agrupament dels fotons aconseguit també depèn de la relació bombament-sondeig. A més, en aquesta tesi es presenta la mesura de la temperatura de l'àtom, en la qual la interferència dels feixos de bombament i sondeig en l'àtom condueix a mesuraments directes del desplaçament rms de l'àtom dins del parany, que està directament relacionat amb la temperatura de l'àtom. Aquests mesuraments demostren un nou mètode no destructiu per a estimar la temperatura de l'àtom. (Español) Esta tesis estudia la estadística de la luz producida por un solo átomo atrapado en el espacio libre cuando se interconecta con dos haces coherentes ortogonales. El átomo dispersa la luz en el mismo modo espacial que un haz de sondeo coherente y débil, lo que da lugar a una estadística de fotones que puede ser controlada. La capacidad de controlar la estadística de los fotones de una fuente puede ser útil para aplicaciones en las que se desean fotones con distinto tipo de estadística. Un único emisor en el espacio libre, cuando se deja interactuar con un único haz de bombeo, solo puede dispersar un fotón en un momento dado. Esto da lugar a una estadística de fotones anti-agrupados. Sin embargo, Goncalves et al. (2021) estudiaron la posibilidad de interconectar el átomo con un haz de bombeo fuerte y un haz de sondeo débil, lo que da lugar a una estadística de fotones que puede ser controlada, en la que se pueden lograr estadísticas super-poissonianas y sub-poissonianas variando la relación entre el bombeo y el sondeo o la fase relativa entre ambos. Al controlar la relación bombeo-sondeo, también es posible controlar la transmisión del sondeo a través del átomo. La implementación experimental del esquema "GMC" muestra el comportamiento previsto, en el que la transmisión puede suprimirse hasta el 62 % y ajustarse cambiando la relación bombeo-sondeo. También muestra que la estadística de los fotones puede pasar de super-poissoniana a sub-poissoniana cambiando la fase relativa de bombeo-sondeo, y que el agrupamiento de los fotones conseguido también depende de la relación bombeo-sondeo. Además, en esta tesis se presenta la medida de la temperatura del átomo, en la que la interferencia de los haces de bombeo y sondeo en el átomo conduce a mediciones directas del desplazamiento rms del átomo dentro de la trampa, que está directamente relacionado con la temperatura del átomo. Estas mediciones demuestran un nuevo método no destructivo para estimar la temperatura del átomo.