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Cold Atoms and Bose-Einstein Condensates in Optical Dipole Potentials

Nes, Johanna :
Cold Atoms and Bose-Einstein Condensates in Optical Dipole Potentials.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Cold Atoms and Bose-Einstein Condensates in Optical Dipole Potentials
Language: English
Abstract:

In 1925, Einstein predicted the condensation of bosons into the ground state of the system for low (but finite) temperatures. Several phenomena, including superfluidity and superconductivity have been associated with Bose-Einstein condensation, but these systems interact strongly with their environment and pure Bose-Einstein condensation could not be established. It took 70 years, in which time the laser was discovered, and laser cooling techniques to manipulate atoms in a dilute atomic gas, before Bose-Einstein condensation in dilute atomic gases could be demonstrated in 1995. In the first condensation experiments, BECs were created in a magnetic trap. Since in a magnetic trap not all mF states of the atom can be trapped simultaneously, thereby limiting the number of experiments that can be done, other ways of trapping and generating BECs were sought and found. In 2001, the first all-optical BEC was made, where the dipole force was used to trap atoms in the crossing of two far red detuned laser beams. In an optical dipole trap not only atoms in different internal states can be trapped, but also different atomic species simultaneously. In this thesis, the formation of an all-optical Bose-Einstein condensate with rubidium atoms is presented. Conventional all-optical BECs are usually created in high power CO2 laser dipole traps, or have complicated laser cooling schemes and complex dipole trap setups. In our simple and straightforward setup, we load rubidium atoms from a magneto-optical trap into a crossed optical dipole trap created by a single frequency Yb:YAG laser with a wavelength at 1030 nm. The small wavelength allows for a small diffraction limit, and permits us to use standard optical materials, thus making the experimental setup cost effective. Other attempts to achieve Bose-Einstein condensation in a multi-mode (frequency) fiber laser at 1064 nm failed, because the atom loss was quite high. It is assumed that the multi-mode character of the fiber laser induces Raman transitions in rubidium atoms, thereby heating them. We can trap about ∼ 5E7 atoms in a single beam dipole trap out of ∼ 5E9 atoms trapped in theMOT, and ∼ 350,000 atoms can be trapped in a crossed beam dipole trap due to the smaller trap volume. 70% of the atoms in the dipole trap is optically pumped into one mF state. Quantum degeneracy is reached by evaporatively cooling the atoms in the crossed dipole trap by ramping down the laser power with three linear ramps. We can independently change the power of each beam by an AOM. This allows us to use one beam as an atom waveguide for future experiments. After evaporation, we typically have about 10,000 atoms at a temperature below the critical temperature. We have proved Bose-Einstein condensation by using the anisotropic expansion of a quantum degenerate gas trapped in an anisotropic potential. The aspect ratio of our atom cloud changed during a time of flight from 0.7 to 1.2 in 10 ms, thus proving that we have reached quantum degeneracy. We have about 5,000 condensed atoms in our optical dipole trap at a temperature less than 100 nK. The remaining atoms are thermal. Bose-Einstein condensation is obtained within 8 s, and we can repeat the experiment every 30 s. It should be mentioned that the Bose-Einstein experiment was moved from the ”Leibniz Universität Hannover” to the ”Technische Universität Darmstadt”, and had to be completely rebuilt. All-optical Bose-Einstein condensation was reached within one year after the move. Our Bose-Einstein condensation setup presents an ideal starting point for using our condensates in combination with miniaturized atom optical setups based on our novel microfabricated optical elements. With our microlenses, we can create a number of possible dipole trap configurations, such as the dipole trap array or the cylindrical microlens array. Using microlenses in miniaturized atom optical setups opens a completely new field of coherent atom optics. Also because the tight confinement of the microtraps allows us to load a 3D BEC, a 1D BEC, or a Tonks-Girardeau gas in the micropotentials depending on the density.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Einstein sagte 1925 voraus, dass unterhalb einer gewissen Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt ein signifikanter Anteil eines bosonischen Atomensembles im Grundzustand eines Systems kondensieren kann. Mehrere Phänomene wie zum Beispiel die Suprafluidität und die Supraleitung stehen in engem Zusammenhang mit der Bose-Einstein-Kondensation, jedoch gibt es in diesen Systemen starke Wechselwirkungen mit der Umgebung, sodass die Realisierung eines reinen Bose-Einstein-Kondensates erschwert ist. Es dauerte 70 Jahre, in denen der Laser und die Laserkühltechniken entwickelt wurden, die eine Manipulation von Atomen erlauben, bis 1995 erstmals ein Kondensat in verdünnten atomaren Gasen realisiert werden konnte. In den ersten Experimenten fand die Kondensation in einer Magnetfalle statt. Da aber in einer solchen Falle nicht alle magnetischen Unterzustände eines Atoms gefangen werden können, wurde nach anderen Möglichkeiten gesucht. In 2001 wurde das erste Kondensat mit rein optischen Methoden erzeugt. In diesem Experiment wurde die optische Dipolkraft genutzt, um Atome im Fokus zweier gekreuzter fern rotverstimmter Laserstrahlen zu gefangen. In einem rotverstimmten Laserstrahl können nicht nur alle magnetische Unterzustände gleichzeitig gefangen werden, sondern auch unterschiedliche Atomsorten. In dieser Doktorarbeit wird die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensates aus Rubidium-Atomen mit rein optischen Mitteln präsentiert. Bislang wurden Kondensate zumeist im Fokus eines Hochleistungs-CO2 Laserstrahls erzeugt, oder die verwendeten experimentellen Aufbauten waren sehr aufwendig und komplex. In unserem einfachen Aufbau werden Rubidium- Atome direkt aus einer magneto-optischen Falle in einer gekreuzten Dipolfalle umgeladen. Die Dipolfalle wird von einem Yb:YAG Laser mit einer Wellenlänge bei 1030 nm erzeugt. Die niedrige Wellenlänge weist ein geringes Beugungslimit auf und erlaubt uns die Benutzung von konventioneller Optik und macht dadurch den experimentellen Aufbau kostengünstig. Andere Versuche ein Kondensat mit einem Mehrmodenfaserlaser bei einer Wellenlänge von 1064 nm zu erzeugen sind gescheitert, da die Verluste in der Dipolfalle viel zu hoch waren. Es wird vermutet, dass die Mehrmoden-Charakter des Faserlasers Raman Übergange in den Rubidium-Atomen hervorgerufen werden, die zu einem Aufheizen des Atomensembles führen. Wir können ∼ 5E9 Atome in unserer magneto-optischen Falle fangen, von denen wir ∼ 5E7 Atome in einer Einzelstrahldipolfalle, und etwa 350,000 Atome in einer gekreuzten Dipolfalle umladen können. 70% der Atome pumpen wir optisch in einen einzigen magnetischen Unterzustand. Quantenentartung wird erreicht durch das evaporative Kühlen der Atome in der Falle, indem die Intensität des Lasers in drei linearen Rampen heruntergefahren wird. Dabei können wir über akustooptische Modulatoren jeden der beiden Strahlen individuell in der Leistung ansteuern. Dies erlaubt es uns auch, einen der Strahlen als einen Wellenleiter für künftige Experimente zu nutzen. Nach der Evaporation haben wir typischerweise 10,000 Atome mit einer Temperatur unterhalb der kritische Temperatur. Wir haben das Erreichen der Bose-Einstein Kondensation nachweisen können, indem wir die anisotrope Ausdehnung eines Kondensats in einem anisotropen Potenital ausgenutzt haben. Das Aspektverhältnis unserer Atomwolke hat sich dabei innerhalb 10 ms von 0.7 auf 1.2 umgekehrt, damit wurde das Beweis von dem Erreichen der Bose-Einstein Kondensation in unserer optischen Dipolfalle geliefert. Wir haben 5,000 kondensierte Atome bei einer Temperatur unterhalb 100 nK in unserer Dipolfalle. Die restlichen Atome sind thermisch. Die Bose-Einstein Kondensation kann innerhalb 8 s erreicht werden, und wir können alle 30 s das Experiment wiederholen. Dabei sollte erwähnt werden, dass das Experiment von dem Leibniz Universität Hannover nach der Technischen Universität Darmstadt umgezogen wurde. Das Experiment wurde komplett neu aufgebaut, und Bose-Einstein Kondensation konnte innerhalb eines Jahres nach der Neuaufbau erreicht werden. Unser Aufbau stellt eine ideale Grundlage für weitere atomoptische Experimente mit unseren Kondensaten in mit mikrooptischen Elementen erzeugten Dipolfallen dar. Mit diesen Mikrolinsen können wir verschiedene Dipolfallengeometrien realisieren, wie zum Beispiel ein Dipolfallenarray oder ein zylindrisches Dipolfallenarray. Das Benutzen von Mikrolinsen in miniaturisierten atomoptischen Aufbauten eröffnet ein neues Forschungsgebiet in der kohärenten Atomoptik. Besonders der enge Einschluss in den Mikrofallen sollte uns die Erzeugung eines 3D Kondensats, eines 1D Kondensats, oder eines Tonks-Girardeau gases erlauben, je nach dem wie die Dichte der Wolke ist.German
Uncontrolled Keywords: Bose , Einstein , condensation , condensate , laser , cooling , dipole , trap , optical , MOT , magneto-optical , Tonks , Tonks-Girardeau , optical potential ,BEC , changing aspect ratio , microlens , atomics , atom interferometer
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Bose , Einstein , condensation , condensate , laser , cooling , dipole , trap , optical , MOT , magneto-optical , Tonks , Tonks-Girardeau , optical potential ,BEC , changing aspect ratio , microlens , atomics , atom interferometerEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:23
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-10678
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Birkl, Prof. Dr. G. and Halfmann, Prof. Dr. T.
Refereed: 7 July 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1067
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  • Cold Atoms and Bose-Einstein Condensates in Optical Dipole Potentials. (deposited 17 Oct 2008 09:23) [Currently Displayed]

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