In recent years interferometry with atoms has opened up many applications within the fields of precision measurements of atomic properties and fundamental constants, the investigation of quantum mechanical effects and the realization of atomic frequency standards.In this work novel concepts and physical prospects of atom interferometry -based on light for the atomic beamsplitting process -are discussed and analyzed.As analogous to light optics the sensitivity of an atom interferometer can be improved by increasing the number of partial waves taking part in the interference process.In this work two basically different schemes for the realization of atomic multiple-beam interferences have been developed and investigated.The increased sensitivity for measurements of external potentials has been demonstrated with a new atomic three-beam interferometer.A time-domain multiple-beam interferometer for the first time yields Fabry-Perot like interference signals with high finesse.In the presented experiments these signals correspond to interference of 160 partial atomic waves.By this means the principle of multiple-beam interferometry, which is an important standard tool in light optics, has been successfully transferred to atom optics.Furthermore different schemes have been developed which base on an extension of the interferometric beamsplitting mechanism from the excitation of two to four internal atomic levels.These schemes represent an inclusion of the atomic polarization as an additional degree of freedom.This opens the possibility for more efficient interferometer geometries.These novel interferometers show a contrast which is increased by about 65% and improved accuracy in the determination of the exact line center.In addition polarized atoms in an interferometer offer very interesting prospects concerning the investigation of fundamental quantum mechanical aspects.In this work a detailed proposal for the systematic observation of a wavefunction collapse within a longitudinal atom interferometer is discussed.It turns out that for certain parameters this observation represents a so-called interaction-free quantum measurement.Besides the experimental realization each interferometer scheme described in this work has also been subjected to theoretical investigations.The corresponding calculations are based on a matrix-algorithm by Bordé yielding analytical expressions for the interference signals.With respect to the application of atom interferometers as optical frequency standards the results of this work open various prospects for strongly improved future precision measurements.Atominterferometrie, Laserkühlung, Spektroskopie Zusammenfassung Die Interferometrie mit Atomen hat in den letzten Jahren ein weitreichendes Anwendungsfeld im Bereich der Präzisionsmessung von atomaren Eigenschaften und Naturkonstanten, des Studiums quantenmechanischer Effekte und der Realisierung atomarer Frequenzstandards erschlossen.Die vorliegende Arbeit diskutiert und analysiert neuartige Konzepte und physikalische Perspektiven der Atominterferometrie, die Licht als Strahlteiler für die Materiewellen einsetzen.Analog zur Lichtoptik kann die Empfindlichkeit eines Atominterferometers durch Erhöhung der Anzahl interferierender Teilwellen enorm gesteigert werden.In dieser Arbeit wurden zwei grundsätzlich verschiedene Konzepte zur Realisierung atomarer Vielstrahl-Interferenzen entwickelt und untersucht.Anhand eines stationären atomaren Dreistrahl-Interferometers wurde dabei die gesteigerte Empfindlichkeit für die Messung externer Potentiale demonstriert.Ein gepulstes Vielstrahl-Interferometer im Zeitraum liefert Fabry-Perotähnliche Signale hoher Finesse, die in den vorgestellten Experimenten durch Interferenz von bis zu 160 atomaren Teilwellen entstehen.Als wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist es damit gelungen, das Prinzip der Vielstrahl-Interferenz, die in der Lichtoptik schon lange unentbehrliches Werkzeug ist, auf die Atomoptik zu übertragen.Es wurden darüberhinaus neuartige Schemata konzipiert und verwirklicht, die den interferometrischen Strahlteilungsmechanismus durch kohärente Anregung von vier statt lediglich zwei internen atomaren Zuständen in Flexibilität und Effizienz deutlich erweitern.Die Polarisation der Atome im Interferometer wird dadurch als zusätzlicher Freiheitsgrad miteinbezogen.Es werden so neue Interferometergeometrien möglich, die sich durch einen um bis zu 65% verbesserten Signalkontrast sowie eine erhöhte Genauigkeit in der Bestimmung der absoluten Linienmitte auszeichnen.Polarisierte Atome im Interferometer bieten aber auch interessante Perspektiven für die Untersuchung grundlegender quantenmechanischer Fragestellungen.In diesem Zusammenhang wird ein konkreter Vorschlag für ein Experiment mit Modellcharakter entwickelt, das die systematische Beobachtung des "Kollaps" einer Wellenfunktion innerhalb eines rein longitudinalen Atominterferometers ermöglicht und für bestimmte Parameter eine sogenannte "Wechselwirkungsfreie Quantenmessung" darstellt.Alle untersuchten interferometrischen Anordnungen wurden auf der Basis eines Matrixformalismus nach Bordé theoretisch beschrieben und sind damit auch analytisch vergleichbar.Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zur Interferometrie eröffnen -vor allem im Hinblick auf die Realisierung eines Frequenzstandards an lasergekühlten Atomen -ein breites Spektrum für weitergehende, verbesserte Präzisionsmessungen.
In recent years interferometry with atoms has opened up many applications within the fields of precision measurements of atomic properties and fundamental constants, the investigation of quantum mechanical effects and the realization of atomic frequency standards.In this work novel concepts and physical prospects of atom interferometry -based on light for the atomic beamsplitting process -are discussed and analyzed.As analogous to light optics the sensitivity of an atom interferometer can be improved by increasing the number of partial waves taking part in the interference process.In this work two basically different schemes for the realization of atomic multiple-beam interferences have been developed and investigated.The increased sensitivity for measurements of external potentials has been demonstrated with a new atomic three-beam interferometer.A time-domain multiple-beam interferometer for the first time yields Fabry-Perot like interference signals with high finesse.In the presented experiments these signals correspond to interference of 160 partial atomic waves.By this means the principle of multiple-beam interferometry, which is an important standard tool in light optics, has been successfully transferred to atom optics.Furthermore different schemes have been developed which base on an extension of the interferometric beamsplitting mechanism from the excitation of two to four internal atomic levels.These schemes represent an inclusion of the atomic polarization as an additional degree of freedom.This opens the possibility for more efficient interferometer geometries.These novel interferometers show a contrast which is increased by about 65% and improved accuracy in the determination of the exact line center.In addition polarized atoms in an interferometer offer very interesting prospects concerning the investigation of fundamental quantum mechanical aspects.In this work a detailed proposal for the systematic observation of a wavefunction collapse within a longitudinal atom interferometer is discussed.It turns out that for certain parameters this observation represents a so-called interaction-free quantum measurement.Besides the experimental realization each interferometer scheme described in this work has also been subjected to theoretical investigations.The corresponding calculations are based on a matrix-algorithm by Bordé yielding analytical expressions for the interference signals.With respect to the application of atom interferometers as optical frequency standards the results of this work open various prospects for strongly improved future precision measurements.Atominterferometrie, Laserkühlung, Spektroskopie Zusammenfassung Die Interferometrie mit Atomen hat in den letzten Jahren ein weitreichendes Anwendungsfeld im Bereich der Präzisionsmessung von atomaren Eigenschaften und Naturkonstanten, des Studiums quantenmechanischer Effekte und der Realisierung atomarer Frequenzstandards erschlossen.Die vorliegende Arbeit diskutiert und analysiert neuartige Konzepte und physikalische Perspektiven der Atominterferometrie, die Licht als Strahlteiler für die Materiewellen einsetzen.Analog zur Lichtoptik kann die Empfindlichkeit eines Atominterferometers durch Erhöhung der Anzahl interferierender Teilwellen enorm gesteigert werden.In dieser Arbeit wurden zwei grundsätzlich verschiedene Konzepte zur Realisierung atomarer Vielstrahl-Interferenzen entwickelt und untersucht.Anhand eines stationären atomaren Dreistrahl-Interferometers wurde dabei die gesteigerte Empfindlichkeit für die Messung externer Potentiale demonstriert.Ein gepulstes Vielstrahl-Interferometer im Zeitraum liefert Fabry-Perotähnliche Signale hoher Finesse, die in den vorgestellten Experimenten durch Interferenz von bis zu 160 atomaren Teilwellen entstehen.Als wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist es damit gelungen, das Prinzip der Vielstrahl-Interferenz, die in der Lichtoptik schon lange unentbehrliches Werkzeug ist, auf die Atomoptik zu übertragen.Es wurden darüberhinaus neuartige Schemata konzipiert und verwirklicht, die den interferometrischen Strahlteilungsmechanismus durch kohärente Anregung von vier statt lediglich zwei internen atomaren Zuständen in Flexibilität und Effizienz deutlich erweitern.Die Polarisation der Atome im Interferometer wird dadurch als zusätzlicher Freiheitsgrad miteinbezogen.Es werden so neue Interferometergeometrien möglich, die sich durch einen um bis zu 65% verbesserten Signalkontrast sowie eine erhöhte Genauigkeit in der Bestimmung der absoluten Linienmitte auszeichnen.Polarisierte Atome im Interferometer bieten aber auch interessante Perspektiven für die Untersuchung grundlegender quantenmechanischer Fragestellungen.In diesem Zusammenhang wird ein konkreter Vorschlag für ein Experiment mit Modellcharakter entwickelt, das die systematische Beobachtung des "Kollaps" einer Wellenfunktion innerhalb eines rein longitudinalen Atominterferometers ermöglicht und für bestimmte Parameter eine sogenannte "Wechselwirkungsfreie Quantenmessung" darstellt.Alle untersuchten interferometrischen Anordnungen wurden auf der Basis eines Matrixformalismus nach Bordé theoretisch beschrieben und sind damit auch analytisch vergleichbar.Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse zur Interferometrie eröffnen -vor allem im Hinblick auf die Realisierung eines Frequenzstandards an lasergekühlten Atomen -ein breites Spektrum für weitergehende, verbesserte Präzisionsmessungen.
Summary form only given.Atom interferometers have opened up new areas of fundamental and applied research. As well known from photon optics, multiple-beam interferometers offer an increased sensitivity on the relative phases between interfering waves. Very recently, first atomic multiple-beam interferometers were realized. These concepts are based on an atomic beam that is spatially split into coherent partial de Broglie waves, where the number of interfering waves is determined by the internal atomic multi-level scheme. We report on time-domain atomic interferometry within a two-level system.
3,2#10 13 (-/s) 1/2 Laserkühlung, Atominterferometrie, Spektroskopie Zusammenfassung Die Atominterferometrie besitzt aufgrund der kurzen de Broglie-Wellenlänge der atomaren Wellen eine immenses Potential für hochgenaue Messungen.Durch die Verknüpfung der Atominterferometrie mit den Methoden der Laserkühlung kann eine lange Verweildauer der Atome im Interferometer und eine damit einhergehende weitergehende Steigerung der Präzision erreicht werden.Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Verfahren zur Steigerung des Auflösungsvermögens bei der Atominterferometrie im Zeitraum und der Demonstration der erreichten Auflösung anhand der hochauflösenden Spektroskopie der Magnesium-Interkombinationslinie.Hierzu wurde eine magnetooptische Falle für Magnesiumatome im Hinblick auf atominterferometrische Messungen optimiert.Die dominierenden Fallenverlustprozesse und der Wiedereinfang des atomaren Ensembles nach einer endlichen Fallenauszeit wurden systematisch untersucht.Die Sensitivität des Interferenzsignals auf die Laserphase der Strahlteilerpulse konnte zur hochauflösenden Spektroskopie der Magnesium-Interkombinationslinie bei 457 nm ausgenutzt werden.Die schmalsten beobachteten Strukturen besitzen eine Linienbreite von 491 Hz.Bei einer Übergangsfrequenz von 655 THz entspricht dies einer Liniengüte von , welches die 1,3#10 12 höchste bisher für die Spektroskopie an neutralen Atomen publizierte Liniengüte übertrifft.Der Einsatz des Interferometers als optischer Frequenzstandard wird diskutiert.Die detektierten Interferenzsignale lassen eine Stabilität von erwarten.In der Atominterferometrie läßt sich wie in der optischen Interferometrie eine Steigerung der Sensitivität durch Vielstrahlinterferenzen erwarten.Anhand theoretischer Berechnungen wird ein Aufbau diskutiert, mit dem sich das bestehende Atominterferometer im Zeitraum zu einem Vielstrahlinterferometer mit beliebig vielen interferierenden Teilwellen erweitern läßt.In ersten Experimenten mit drei bzw.vier interferierenden Teilwellen konnten die für Vielstrahlinterferenzen charakteristischen Signalverläufe detektiert werden.Für die hochauflösende Spektroskopie sowie die Interferometrie mit kohärenten atomaren Ensemblen ist die Verwendung atomarer Ensemble möglichst geringer Temperatur bzw.hoher Phasenraumdichte wünschenswert.Es wird ein Verfahren vorgestellt, welches die Kühlung von gespeicherten Magnesiumatomen bis auf wenige µK erlaubt.Die Möglichkeit der Speicherung von Magnesiumatomen im -und -Zustand im Intensitätsmaximum eines fokussierten S 1 0 P 3 1 Nd:YAG-Laserstrahls wird aufgezeigt.Numerische Berechnungen zeigen, daß sich durch Einstrahlung eines zum Interkombinationsübergang rotverstimmten Lichtfeldes eine Kühlung der gespeicherten Atome mit einer Zeitkonstante in der Größenordnung 1 s erreichen läßt.Der im Rahmen der Arbeit durchgeführte Einsatz der Atominterferometrie im Zeitraum für die Hochpräzisionsspektroskopie und die aufgezeigten Methoden zur Steigerung des Auflösungsvermögens ebnen den Weg für weitere Hochpräzisionsmessungen. 3,2#10 13 (-/s) 1/2 Laser cooling, atom interferometry, spectroscopy
Der Einsatz von Bose-Einstein Kondensaten verdünnter atomarer Gase in der Atominterferometrie verspricht aufgrund der kohärenten, makroskopisch besetzten Materiewellen-Zustände das Erreichen von höchsten Messgenauigkeiten am Quantenlimit.Aufgrund einer ultimativen Kontrolle über die Atome des kohärenten Ensembles werden zudem neuartige Interferometergeometrien möglich.Die vorliegende Arbeit stellt die experimentelle Untersuchung verschiedener Konzepte auf dem Weg zur Realisierung einer Atominterferometrie mit kohärenten Quellen dar.Zum Erreichen einer ausschließlich quantenlimitierten Sensitivität wurden konkret zwei komplementäre fundamentale Ansätze untersucht: eine kohärente Transportstruktur für das atomare Ensemble sowie die Verbesserung der Auslesestatistik eines Interferometers.Zum einen wurde hierbei erstmals ein kohärenter Transport von Bose-Einstein Kondensaten in einem Wellenleiter demonstriert.Durch Eliminierung des Einflusses der Gravitation auf die atomare Dynamik lassen sich aufgrund der ausschließlich in horizontaler Richtung möglichen Bewegung die Beobachtungszeiten des kohärenten Ensembles im Interferometer deutlich verlängern, was essentiell zum Erreichen höherer Empfindlichkeiten ist.In dieser Arbeit wird ein Lademechanismus des Wellenleiters mit Bose-Einstein Kondensaten aus einer speziell für den Ensemble-Transfer entwickelten Hybridfalle demonstriert, dessen Adiabatizität anhand der Expansionsdynamik im Wellenleiter nachgewiesen wird.Für den systematischen Nachweis der Phasenkohärenz des Ensembles im Wellenleiter wird ein auf der Bragg-Streuung von Atomen basierendes Autokorrelationsschema erfolgreich eingesetzt.Darüber hinaus wird dabei eine Mean-Field-dominierte Expansion des Ensembles im Wellenleiter auf deutlich längeren Zeitskalen als im Fall einer freien dreidimensionalen Expansion beobachtet.Der zweite im Rahmen dieser Arbeit untersuchte fundamentale Weg zum Erreichen einer Interferometrie am Quantenlimit basiert auf Möglichkeiten zur Verbesserung der Auslesestatistik eines Interferometers.Analog zu entsprechenden Effekten in der Quantenoptik, wo sich durch Verwendung nicht-klassischer ( " gequetschter") Lichtfelder die statistische Sensitivität eines Interferometers unter das sogenannte Shot-Noise-Limit verbessern lässtbei dem die Messunsicherheit invers mit der Wurzel aus der Zahl der gemessenen Teilchen skaliert -versprechen auch gequetschte atomare Zustände das Erreichen einer sub-Shot-Noise Atominterferometrie. Prinzipiell lässt sich hiermit die Messunsicherheit bis hin zum Heisenberg-Limit reduzieren, bei dem sie dann invers mit der detektierten Teilchenzahl skaliert.In dieser Arbeit werden grundlegende experimentelle Schritte auf dem Weg zu einer Heisenberg-limitierten Interferometrie realisiert: Durch die Anregung von kollektiven Quanten-Phasenoszillationen des kohärenten Ensembles in einem eindimensionalen optischen Gitter werden Teilchenzahl-gequetschte (oder Fock-) Zustände gezielt in Zustände mit der minimal im Experiment erreichbaren Phasenvarianz überführt, die den entscheidenden Ausgangspunkt für erste im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Messungen zur Realisierung einer Ramsey-Interferometrie am Heisenberg-Limit darstellen.Darüber hinaus wird ein von zunehmenden Quanten-Fluktuationen getriebener Übergang des Systems von seiner ursprünglichen superfluiden Phase in eine Quanten-Isolatorphase beobachtet und analysiert, der insbesondere gegenüber " klassischen", also im Rahmen einer Mean-Field-Theorie beschreibbaren Isolationsmechanismen abgegrenzt wird.Auf diese Weise wird ein detailliertes Verständnis der Kohärenzeigenschaften des Bose-Einstein kondensierten Ensembles im optischen Gitter erlangt.
Atomic interferometry was born recently, towards the end of the 1980s. Its development has been extremely fast, new techniques being pioneered independently and almost simultaneously in different laboratories all over the world. Nowadays, these techniques have reached a high level of sophistication, opening a wide area of fundamental and practical applications. In this paper the general architecture of interferometers in which matter waves are coherently manipulated is described. Various realizations of atom and molecule interferometers are reported, together with the major results obtained with each type of interferometer. Finally, new trends and perspectives are given. Whilst the techniques seem to be almost completely achieved, new developments are coming up, such as the use of new and non-ordinary sources. Forthcoming applications are numerous. They deal with the most fundamental aspects of quantum mechanics, with the metrology of fundamental constants, with the use of interferometers as very sensitive probes of external interactions and inertial effects, with atomic nanolithography, etc.
Der Einsatz mikrostrukturierter Systeme zur Manipulation von kalten Atomen ist eines der aktivsten Forschungsgebiete in der Atomphysik und Quantenoptik.Exemplarisch werden in der vorliegenden Arbeit Einsatzmöglichkeiten mikrooptischer Elemente in der Quanteninformationsverarbeitung und in der Atomoptik experimentell präsentiert.Besondere Beachtung finden dabei auch Untersuchungen zum Kohärenzerhalt in optischen Mikropotentialen und die Entwicklung optischer Speicherfelder mit speziellen vom Spinzustand der gefangenen Atome abhängigen Eigenschaften.In einem breiten Spektrum physikalischer Systeme aus unterschiedlichsten Forschungsgebieten werden derzeit grundlegende Fragestellungen, sowie physikalische Umsetzungen zur Quanteninformationsverarbeitung entwickelt und untersucht.In dieser Arbeit wird die experimentelle Realisierung neuartiger Register für atomare Qubits, basierend auf mikrooptischen Elementen, demonstriert: Neutrale Atome werden in einem ein-bzw.zweidimensionalen Array aus weit verstimmten Dipolfallen, erzeugt durch Fokussierung eines einzelnen Laserstrahls mit einem Array sphärischer Mikrolinsen, gefangen.Aufgrund der großen lateralen Abstände von 125 µm der Fallen zueinander können die einzelnen Fallen ortsaufgelöst adressiert werden.Das Initialisieren und Auslesen der internen Zustände einzelner Fallen konnte demonstriert werden.Als zweiter Schwerpunkt wird der Einsatz mikrooptischer Systeme in der Materiewellenoptik mit geführten Atomen untersucht.Aufgrund der hohen intrinsischen Sensitivität müssen Atominterferometer robust gegenüber störenden Umwelteinflüssen konzipiert werden.Im Rahmen dieser Arbeit werden Interferometerstrukturen für geführte neutrale Atome, die auf mikrostrukturierten optischen Systemen beruhen, experimentell demonstriert.Hierbei wird als ein zentrales Element eine Vielfachrealisierung von Linienleitern benutzt, die durch Fokussieren eines rot-verstimmten Laserstrahls mit einem Array von zylindrischen Mikrolinsen erzeugt werden.Durch Kombination zweier Mikrolinsenarrays können Strahlteiler aber auch komplexere Systeme, wie die Geometrien von Mach-Zehnder-und Michelson-Interferometern für geführte neutrale Atome erzeugt werden.Zudem konnte ein zustandsselektiver Strahlteiler experimentell demonstriert werden.Numerische Simulationen der atomaren Wellendynamik sagen die Kohärenz der adiabatischen Entwicklung des atomaren Wellenpaketes während der Teilungsprozesse voraus.Das Verständnis der Kohärenzeigenschaften externer atomarer Bewegungszustände in optischen Dipolpotentialen ist eine wesentliche Voraussetzung für die Anwendung der hier untersuchten Systeme zur Quanteninformationsverarbeitung und zur Atominterferometrie. Diese Kohärenzeigenschaften wurden in optischen Mikropotentialen, realisiert durch ein optisches Gitter, untersucht und die Ergebnisse für die hier entwickelten Strukturen diskutiert.Anknüpfend an die Untersuchungen zur Quanteninformationsverarbeitung und Atominterferometrie konnte eine optische Falle realisiert werden, die nur Atome in bestimmten Zeeman-Niveaus speichern kann.In dieser spinselektiven Falle konnte ein effizient spinpolarisiertes atomares Ensemble erzeugt werden.Ein solches System kann neben vielen Anwendungen zu Präzisionsexperimenten auch in der Quanteninformationsverarbeitung und in der Atominterferometrie eingesetzt werden.Zusätzlich eignet sich dieser Fallentyp aufgrund seiner Spinselektivität zum evaporativen Kühlen bei gleichbleibenden Fallenfrequenzen und hoher Anfangsphasenraumdichte.
In this paper, we present a brief overview of atom interferometry. This field of research has developed very rapidly since 1991. Atom and light wave interferometers present some similarities but there are very important differences in the tools used to manipulate these two types of waves. Moreover, the sensitivity of atomic waves and light waves to their environment is very different. Atom interferometry has already been used for a large variety of studies: measurements of atomic properties and of inertial effects (accelerations and rotations), new access to some fundamental constants, observation of quantum decoherence, etc. We review the techniques used for coherent manipulation of atomic waves and the main applications of atom interferometers.