Lengwenus, André (2008)
Manipulation der internen und externen Freiheitsgrade neutraler Atome in optischen Mikropotentialen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Der Einsatz mikrostrukturierter optischer Elemente ist in der heutigen quantenoptischen Forschung ein äußerst attraktiver Zugang zur kompakten und robusten Realisierung atomoptischer Experimente. Besondere Beachtung findet dabei die Manipulation der internen und externen Freiheitsgrade neutraler Atome in magnetischen und optischen Mikropotentialen. Motiviert werden diese Untersuchungen sowohl durch Anwendungen auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung, als auch durch die Möglichkeit kompakte, hochpräzise Atominterferometer zu entwickeln. Von äußerster Wichtigkeit ist hierbei sowohl der kontrollierte Transport und das Führen atomarer Ensembles in diesen Potentialen, als auch deren Auswirkungen auf die Kohärenz der atomaren Zustände. In dieser Arbeit wird ein System untersucht, bei dem neutrale 85Rb-Atome in einem zweidimensionalen Register von Dipolfallen gefangen werden können. Die Fallen werden durch homogenes Ausleuchten eines Mikrolinsenregisters mit einem einzelnen kollimierten Laserstrahl erzeugt. Durch Einstrahlen des Lichts unter einem variablen Winkel lassen sich die in der Fokalebene des Registers gefangenen Atome transportieren. Mit dieser Methode kann ein Transportweg von einem kompletten Fallenabstand (54µm) erreicht werden. Die Präzision in der Anfahrt definierter Positionen liegt dabei unter 10nm. Bei einer Transportzeit bis hinunter zu 2ms wird weder eine signifikante Erhöhung der Temperatur des atomaren Ensembles noch ein Teilchenzahlverlust beobachtet. Für den Transport über größere Distanzen wird ein Schieberegister demonstriert, das auf einem sequentiellen Verschieben und Umladen zwischen zwei getrennten Dipolfallenregisters basiert. Neben der Kontrolle der externen Freiheitsgrade können mit einem Ramanlasersystem beliebige kohärente Superpositionen der Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustands induziert werden. Mit Hilfe von Ramsey- und Echosequenzen wird die Kohärenz der internen Superpositionen untersucht. Die Ramseymessung weist dabei eine inhomogene Dephasierung mit einer Zeitkonstanten von T2*=3,8ms aufgrund der endlichen Temperatur der Atome in den Dipolfallen auf. Diese ist reversibel und lässt sich durch Erweitern der Sequenz zu einer Echomessung umkehren. Auf diese Weise ist es möglich die Kohärenzzeit der Superposition zu T2'=74ms zu bestimmen. Eine Analyse der kohärenzzerstörenden Effekte führt auf die homogene Dephasierung induziert durch Heizeffekte des Dipolfallenlasers als wahrscheinlichste Ursache für den Kontrastverlust. Der Transportprozess wirkt sich nicht auf die Kohärenzzeit aus (T2'=71ms), jedoch wird eine konstante und reproduzierbare Phasenverschiebung von <Pi/11 beobachtet. Als zweiter Schwerpunkt wird in dieser Arbeit eine neuartige mikrooptische Ringlinse vorgestellt, mit der es möglich ist, eine ringförmige Dipolfallenstruktur mit einem Durchmesser von 1,5mm zu erzeugen. Nach dem Laden neutraler Atome in die Ringstruktur wird sowohl ein freies als auch ein beschleunigtes Umlaufen des atomaren Ensembles im Ring demonstriert. Durch partielles Ausleuchten der Ringlinse mit einem elongierten Gaußstrahl wird ein kontrolliertes Führen von Atomen im Ring ermöglicht. Ein verlustfreies variables Teilen der atomaren Wolke im Ring ergänzt dieses Verfahren zu einer geschlossenen Interferometerstruktur für zukünftige atominterferometrische Messungen.

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