Coherent manipulation of ultracold atoms on atom chips
Philipp Treutlein
Diese Dissertation umfasst Experimente und theoretische Überlegungen zur kohärenten Manipulation von ultrakalten Atomen auf einem Atomchip.In Experimenten untersuchen wir den Einfluss der Chipoberfläche auf die Kohärenz von Superpositionen interner atomarer Zustände und realisieren eine Chip-basierte Atomuhr.Weiterhin werden detaillierte theoretische Vorschläge für ein Atomchip-Quantengatter sowie für die Kopplung von Bose-Einstein-Kondensaten an nanoelektromechanische Systeme gemacht.Wir fangen Atome in einer magnetischen Mikrofalle auf einem Chip und präparieren sie in einer kohärenten Superposition zweier interner Zustände, deren magnetisches Moment nahezu identisch ist.Mit Hilfe von Ramsey-Interferometrie wird untersucht, welchen Einfluss die Wechselwirkungen mit der Chipoberfläche auf die Kohärenz der Zustände haben.In Abständen von 5 -130 µm von der Oberfläche beobachten wir Kohärenzzeiten und Lebensdauern der Atome von über 1 s.Die Atome in der Chipfalle weisen eine vergleichbare Kohärenzzeit auf wie Atome in makroskopischen Magnetfallen.Bei kleineren Abständen beobachten wir einen Verlust von Atomen aufgrund des anziehenden Casimir-Polder-Oberflächenpotentials.Die guten Kohärenzeigenschaften ermöglichen es uns, eine Atomuhr auf dem Mikrochip zu realisieren.Eine Messung der relativen Frequenzstabilität ergibt 1.7 × 10 -11 (τ [s]) -1/2 .Wir zeigen einfache Verbesserungen auf, mit denen sich eine Stabilität von 10 -13 (τ [s]) -1/2 erreichen lassen sollte.Eine solche Uhr könnte Anwendungen als portabler sekundärer Frequenzstandard sowie in der Satellitennavigation finden.Das von uns untersuchte Zustandspaar kann für die Quanteninformationsverarbeitung verwendet werden.Dazu machen wir einen detaillierten theoretischen Vorschlag für ein Kollisions-Quantengatter auf einem Atomchip.Ein wesentlicher Bestandteil des Gatters sind zustandsselektive Potentiale, die durch Mikrowellen-Nahfelder erzeugt werden.Diese neuartigen Potentiale verbinden Eigenschaften von optischen Dipolpotentialen mit denen magnetischer Nahfeldfallen.Wir beschreiben das Design und die Fabrikation eines mehrlagigen Atomchips für Experimente mit Mikrowellen-Nahfeldern. Über die quantenmechanische Manipulation von Atomen hinaus ermöglichen Atomchips neue Experimente im Grenzbereich von Quantenoptik und Festkörperphysik.Atomare Bose-Einstein-Kondensate könnten zum Beispiel an die Schwingungen eines mechanischen Nanoresonators gekoppelt werden.Wir analysieren dieses System theoretisch und zeigen, dass es ein mechanisches Analogon zur Resonator-Quantenelektrodynamik im Regime starker Kopplung darstellt.
•Jan 1, 2008•11 citations