Eine Quelle für die Interferometrie mit Bose-Einstein-Kondensaten auf Höhenforschungsraketen

S. Dettmer

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.

Michael Erhard

Vladimir Schkolnik

Quantensensoren, wie Atominterferometer und Atomuhren werden zu hochpräzisen und akkuraten Messungen von Inertialkräften und der Zeit benutzt und sind hervorragend dazu geeignet fundamentale Fragestellungen der Physik anzugehen und die Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen. Die Empfindlichkeit von Atominterferometern skaliert quadratisch mit der freien Entwicklungszeit und die Verwendung von Quantensensoren im Weltraum ist prädestiniert die Genauigkeit von Tests des Äquivalenzprinzips um mehrere Größenordnungen zu verbessern. Zusätzlich, werden präzise und akkurate Sensoren für Inertialkräfte, im Bereich der Navigation oder Geodäsie benutzt wo mobile auf Atominterferometrie basierende Geräte noch selten sind. Diese Arbeit trägt zur Entwicklung von hochempfindlichen und stabilen mobilen Quantensensoren bei. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden drei mobile Vergleichsmessungen der Erdbeschleunigung mit dem Atominterferometer GAIN an verschiedenen geographischen Orten durchgeführt. Die demonstrierte Stabilität von 5*10^-11 g nach 10^5 s übertrifft die Stabilität von klassischen Gravimetern. Mit dem Ziel von Weltraumgestützten Atominterferometern wurde ein kompaktes Lasersystem für den Betrieb von Atominterferometrie mit Rubidium Bose-Einstein Kondensaten auf Höhenforschungsraketen entworfen, qualifiziert und in Betrieb genommen. Zusätzlich wurden drei Nutzlasten für dein Einsatz auf Höhenforschungsraketen realisiert um die Reife der notwenigen Subsysteme zu zeigen. Dopplerfreie Laserspektroskopie an Rubidium und Kalium wurde verwendet um eine optische Frequenzreferenz zu realisieren und während der Flüge wurde mit einem Frequenzkamm zu vergleichen. Diese Messung stellt einen ersten Test der Lokalen Lorenz Invarianz im Weltraum dar. Diese Aktivitäten ebnen den Weg für den zukünftigen Einsatz von Quantensensoren im Weltraum die noch nie dagewesene Tests der fundamentalen Physik, Weltraumgeodäsie oder sogar Gravitationswellen ermöglichen.

D. Hellweg

Tarik Berrada

Mach-Zehnder Interferometrie mit wechselwirkenden Bose-Einstein Kondensaten in einem Doppel-Mulden-Potential Der Welle-Teilchen Dualismus ermöglicht die Konstruktion von Interferometern mit massiven Teilchen wie Elektronen, Neutronen, Atomen oder Molekülen. Die Atominterferometrie erfordert die Entwicklung von Komponenten analog zu den optischen Strahlteilern, Phasenschiebern, Kombinierern für die kohärente bzw. phasenstabile Manipulation quantenmechanischer Überlagerungszustände. Während Atominterferometer ursprünglich die Welleneigenschaften von der Materie untersucht haben, gehören sie heute zu den am weitesten entwickelten Präzisionsmessgeräten, die für technologische und fundamentale Fragestellungen verwendet werden. Bose-Einstein-Kondensate (BEK) aus ultrakalten atomaren Gasen stellen besondere Materiewellen dar: sie verfügen über eine kollektive Wellenfunktion und makroskopische Kohärenzeigenschaften. Dementsprechend werden Sie oft als Analog zu Laserlicht betrachtet und es stellt sich die Frage, ob BEKs einen ähnlichen Entwicklungsschub für Materiewelleninterferometrie bewirken können wie einst der Laser für optische Interferometrie. Ein grundlegender Unterschied zwischen BEKs und Laserlicht stellen die atomaren Wechselwirkungen dar, welche zu einer intrinsischen Nichtlinearität führen. Auf der einen Seite führen atomare Wechselwirkungen zu Dekohärenz und Dephasierung, die die Beobachtungszeit des Interferometers reduzieren. Auf der anderen Seite ermöglichen die Wechselwirkungen die Erzeugung nicht-klassischer (z. B. gequetschter) Zustände, welche die Sensitivität der BEK Interferometer über das Schrotrausch-Limit hinaus verbessern können. In dieser Dissertation wurde experimentell ein Mach-Zehnder Interferometer für Bose- Einstein-Kondensate realisiert, welche auf einem Atomchip gefangen sind. Das Interferometer basiert auf der kohärenten Manipulation des BEKs in einem Doppel-Mulden- Potential. Es wurde insbesondere ein neuartiger Materiewellen-Kombinierer realisiert, das bisher fehlende Element in der Materiewellenoptik mit BEKs. Wir nutzten atomare Wechselwirkungen, um einen gequetschten Quantenzustand mit reduzierten Anzahl uktuationen zu realisieren, der gegenüber dem Schrotrausch-Limit eine erhöhte Sensitivität aufweist. Mit Hilfe dieses Zustandes untersuchten wir die Phasendiusion, welche wiederum durch atomareWechselwirkungen erzeugt wird. Zum ersten Mal wurde auf eindeutiger Weise die Verbindung von Anzahl uktuationen und der Phasendiusion aufgezeigt. Die Verwendung eines gequetschten Zustandes erlaubte es uns, die Beobachtungszeit des Interferometers um mehr als das Doppelte zu verlängern. Dies stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung BEK Interferometrie mit nichtklassischen Zuständen dar und erweitert unser Verständnis über die Auswirkungen atomarer Wechselwirkungen in Vielteilchen-Quantensystemen. Die entwickelten Methoden sind geeignet, weitere komplexe Quantenzustände zu erzeugen und zu charakterisieren und es besteht die Honung, dass die atomaren Wechselwirkungen letztlich die Leistungsfähigkeit der Materiewelleninterferometrie verbessern können.

John N. Shive, Robert L. Weber