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Aberrations of atomic diffraction - From ultracold atoms to hot ions

Neumann, Antje (2021):
Aberrations of atomic diffraction - From ultracold atoms to hot ions. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019139,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Aberrations of atomic diffraction - From ultracold atoms to hot ions
Language: English
Abstract:

Atomic diffraction is the central concept of matter-wave interferometers, which provide the opportunity of high-precision rotation and acceleration sensing. Ultracold atoms are the ultimate quantum sensors for this purpose. Transferring photon momentum from two counterpropagating laser beams to atomic wavepackets prepares coherent superpositions in the momentum space, realising atomic beamsplitters and mirrors.

Like classical optical systems, these matter-wave devices require exact specifications and ubiquitous imperfections need to be quantified. Therefore, in this thesis, the performance of (3+1)D atomic beamsplitters in the quasi-Bragg regime is studied numerically as well as analytically and is confirmed by experimental data [1]. Ideally, the incoming wavepacket can be split exactly into two parts or reflected perfectly with unit response, independent of its spatial and velocity distribution. However, the velocity selectivity of the Bragg diffraction, as well as losses into undesired diffraction orders in the quasi-Bragg regime, constitute aberrations, which cannot be neglected. The non-ideal behaviour due to spatial variations of the laser beam profiles and wavefront curvatures, regarding realistic Laguerre-Gaussian laser beams instead of ideal plane waves, reduces the diffraction efficiency and leads to rogue momentum components, just like misaligned lasers. In contrast, smooth temporal envelopes improve the beamsplitter performance. Different pulse shapes are taken into account, where some are amenable for closed analytical solutions.

The realistic modelling and exhausting aberration studies characterises in detail atomic Bragg beamsplitters and demonstrate pathways for improvements, both required by challenging experiments.

For hot ions in accelerator beams the atomic diffraction is used contrary to generate a velocity filter. Two counterpropagating far-detuned lasers transfer a narrow velocity class of ions from an initially broad distribution via a stimulated Raman transition between the ground states of a Λ-system. This colder subensemble prepares optimal initial conditions for precision collinear laser spectroscopy on fast ion beams. The efficiency of the filter is diminished by aberrations like the spontaneous emission from the two single-photon resonances, as well as the ground-state decoherence induced by laser noise. Spatial intensity variations of the ion and laser beams are considered, whereas wavefront curvature is negligible. A comprehensive master equation leads to conditions for the optimal frequency pair of lasers. The time-resolved population transfer characterises the filter performance and is evaluated numerically as well as analytically. Derived models match the numerical results, keeping the computational effort small.

Taking into account the mentioned aberrations, the possible use of Raman transition as velocity filter for hot ions is demonstrated. Velocity classes with widths as low as 0.2 m/s can be transferred, achieving a significant population proportion from per mill to percent. Applying the analysis to current 40-Ca+ ion experiments, a sensitivity for measuring high ion acceleration voltages on the ppm level or below is substantiated.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Atombeugung ist das zentrale Konzept von Materiewelleninterferometern, die das Potenzial für hochpräzise Rotations- und Beschleunigungsmessungen bieten. Dafür sind ultrakalte Atome die ultimativen Quantensensoren. Indem der Impuls zweier Photonen aus gegenläufigen Laserstrahlen auf atomare Wellenpakete übertragen wird, entsteht eine kohärente Überlagerung im Impulsraum, wodurch atomare Strahlteiler und Spiegel realisiert werden.

Genauso wie klassische optische Systeme erfordern diese Materiewellenelemente genauste Spezifikationen und allgegenwärtige Imperfektionen müssen quantifiziert werden. Daher wird in dieser Arbeit die Performance von (3+1)D Atomstrahlteilern im Quasi-Bragg-Regime sowohl numerisch als auch analytisch untersucht und durch experimentelle Daten bestätigt [1]. Idealerweise wird das einlaufende Wellenpaket in zwei gleichgroße Teile aufgespalten oder perfekt reflektiert, unabhängig von seiner räumlichen und seiner Geschwindigkeitsverteilung. Die im Quasi Bragg-Regime auftretende Geschwindigkeitsselektivität sowie Verluste in unerwünschte Beugungsordnungen stellen jedoch nicht zu vernachlässigende Aberrationen dar. Im Gegensatz zu idealen ebenen Wellen, führen räumliche Variationen und Wellenfrontkrümmung von realistischen Lauguerre-Gauß-Laserstrahlprofilen, genauso wie unzulänglich ausgerichtete Laser, zu einer Verringerung der Beugungseffizienz und unerwünschten Impulskomponenten. Zeitlich glatte Pulseinhüllende verbessern dahingegen die Strahlteilereffizienz. Hier werden verschiedene Pulsformen berücksichtigt, wobei für einige geschlossene analytische Lösungen zugänglich sind.

Die realistischen Modellierungen und umfangreichen Aberrationsstudien charakterisieren die Atomstrahlteiler detailreich und zeigen Optimierungsmöglichkeiten, wobei beides für anspruchsvolle Experimente erforderlich ist.

Für heiße Ionen in Beschleunigerstrahlen wird die Atombeugung konträr zur Erzeugung eines Geschwindigkeitsfilters verwendet. Zwei gegenläufige, weit verstimmte Laser filtern eine enge Geschwindigkeitsklasse aus einer anfänglich breiten Ionenverteilung heraus. Dafür wird ein stimulierter Raman-Übergang zwischen den Grundzuständen eines Λ-Systems verwendet. Dieses kältere Subensemble stellt optimale Anfangsbedingungen für präzise kollineare Laserspektroskopie von schnellen Ionenstrahlen dar. Die Effizienz des Filters wird durch Aberrationen, wie spontane Emission der beiden Einzelphotonenresonanzen, sowie durch Laserrauschen induzierte Dekohärenz des Grundzustands, verringert. Räumliche Intensitätsschwankungen der Ionen- und Laserstrahlen werden berücksichtigt, während die Wellenfrontkrümmung vernachlässigbar ist. Eine umfassende Mastergleichung führt zu Bedingungen an das optimale Laserfrequenzpaar. Die Filterperformance wird charakterisiert durch den, sowohl numerisch als auch analytisch ausgewerteten, zeitaufgelösten Populationstransfer. Dabei bestätigen die analytische Modelle die numerischen Ergebnisse und verringern den Rechenaufwand.

Unter Berücksichtigung der genannten Aberrationen wird die Verwendung des Raman-Übergangs als Geschwindigkeitsfilter für heiße Ionen demonstriert. Dabei können sehr schmale Geschwindigkeitsklassen mit Breiten von 0,2 m/s übertragen werden, wobei gleichzeitig ein signifikante Population im Promille- bis Prozentbereich erreicht wird. In Bezug auf aktuelle 40-Ca+ Ionenexperimente begründet dies für die Messung hoher Ionenbeschleunigungsspannungen eine Sensitivität auf ppm-Niveau oder darunter.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: viii, 188 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Theoretische Quantendynamik
Date Deposited: 13 Jul 2021 10:49
Last Modified: 13 Jul 2021 10:49
DOI: 10.26083/tuprints-00019139
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-191391
Referees: Walser, Prof. Dr. Reinhold ; Giese, Prof. Dr. Enno
Refereed: 28 June 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19139
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