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Manipulation von Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Dipolpotentialen

Wille, Oliver :
Manipulation von Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Dipolpotentialen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Manipulation von Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Dipolpotentialen
Language: German
Abstract:

Das Gebiet der Atomoptik hat sich in den letzten zwanzig Jahren von einem Stadium einfacher Demonstrationsexperimente bis zum Aufbau komplexer Präzisionsmessinstrumente zur Bestimmung von Naturkonstanten entwickelt. Mittlerweile gibt es eine erste Generation transportabler Atominterferometer auf der Basis kalter Atome, die eine Messung von Beschleunigungen oder Rotationen ermöglicht. Mit der experimentellen Realisierung der Bose-Einstein-Kondensation haben sich faszinierende Perspektiven auf dem Gebiet der Atomoptik eröffnet. Ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) als Quelle kohärenter Materiewellen ermöglicht den Aufbau neuartiger Interferometerstrukturen. Ein besonders einfaches und variables Mittel der Manipulation von Bose-Einstein-Kondensaten stellen optische Dipolpotentiale dar. In der vorliegenden Arbeit werden atomoptische Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten in mit mikrooptischen Elementen erzeugten optischen Dipolpotentialen vorgestellt. Solche optischen Mikroelemente ermöglichen besonders kompakte optische Aufbauten. Die Bose-Einstein-Kondensate aus 87Rb-Atomen entstehen mit Hilfe evaporativer Kühlung in einer gekreuzten Dipolfalle mit Licht eines Faserlasers bei einer Wellenlänge von 1070 nm durch langsames Absenken der Strahlleistungen. Bei Temperaturen von unter 20 nK werden ultra-kalte Ensembles mit 10000 Atomen bei einem Kondensatanteil von 50% erzeugt. Als Werkzeug zum Teilen und Beschleunigen der Bose-Einstein-Kondensate wurde ein eindimensionales optisches Gitter realisiert. Durch unterschiedliche Pulssequenzen und relative Verstimmungen der Gitterstrahlen ist damit sowohl eine gezielte Erzeugung kohärenter Superpositionen zwischen verschiedenen Impulszuständen möglich als auch eine kontrollierte adiabatische Beschleunigung des gesamten atomaren Ensembles. So wurde mit einem Puls eines unbewegten optischen Gitters ein symmetrisches Aufteilen des Ensembles in Teilensembles mit entgegengerichtetem Impuls gleichen Betrags mit einer Effizienz von 80% erreicht. Mit einem Puls eines bewegten optischen Gitters konnten außerdem gezielt Superpositionen zwischen unterschiedlichen benachbarten Impulszuständen erzielt werden. Weiterhin ließ sich mit einem solchen Gitterpuls das gesamte Ensemble mit einer Effizienz von mindestens 60% in eine von null verschiedene Impulsordnung überführen. Durch eine adiabatische Beschleunigung wurden sogar Effizienzen von mindestens 90% beim Beschleunigen von atomaren Ensembles auf Impulse von bis zu 6 Photonenrückstößen erreicht. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bilden Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten in mit einer mikrostrukturierten optischen Ringlinse erzeugten Dipolpotentialen. Das Ziel dieser Experimente ist die Realisierung kompakter Wellenleiter- und Interferometerstrukturen für teilweise kondensierte Ensembles. Eine ringförmige Dipolfalle ermöglicht unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten. Damit ist sowohl die einfache Realisierung eines Speicherrings für Bose-Einstein-Kondensate als auch eines Interferometers vom Sagnac-Typ möglich. Das realisierte Schema zum Aufbau einer ringförmigen Dipolfalle wird vorgestellt und das erfolgreiche Umladen in diese Falle wird demonstriert. Weitere experimentelle Schritte, um eine Ausbreitung entlang des Rings zu ermöglichen, werden diskutiert. Bose-Einstein-Kondensate in Fallen mit reduzierten Dimensionalitäten sind Gegenstand vielfältiger aktueller Forschungen. Durch die Kombination eines Strahls der gekreuzten Dipolfalle mit einem blauverstimmten ringförmigen Potential wurde ein quasi-eindimensionaler Resonator erzeugt, in dem erstmals sowohl die Dynamik frei expandierender Bose-Einstein-Kondensate als auch von entgegengesetzt beschleunigten Teilensembles beobachtet wurden, so dass die entstehenden Dichteverteilungen analysiert werden konnten. Als weitere Anwendung der Ringlinse konnte durch die Kombination eines abstoßenden ebenen Potentials und eines abstoßenden Ringpotentials ein kreisförmiger Resonator demonstriert werden, in dem die Atome wie in einer Schale gehalten werden, so dass die Expansion von thermischen und teilweise kondensierten Ensembles beobachtet werden konnte.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the recent two decades the field of atom-optics has developed exceedingly from a status of relatively simple experiments to demonstrate the wave character of matter to very complex instruments for precision measurements to define natural constants. Recently a first generation of mobile atominterferometers that allow an exact determination of accelarations and rotations has been constructed. The experimental realization of Bose-Einstein condensation offers further possibilities for the field of atomoptics. A Bose-Einstein condensate (BEC) as a source for coherent matter waves allows new types of interferometers. A very simple and variable tool to control and manipulate a BEC are optical dipole potentials. In this thesis atom-optical experiments with Bose-Einstein condensates in dipol potentials created with microfabricated optical elements are presented. Such systems represent a crucial step towards compact setups of atomic waveguides or atom interferometers. 87Rb-atoms are evaporatively cooled in a crossed dipole trap created with light of a fiber laser at a wavelength of 1070 nm by slowly lowering the trapping power. At the end of the evaporation partly condensed ensembles with 10000 atoms and a condensate fraction of 50% at a temperature of 20 nK are generated. For splitting and accelerating Bose-Einstein condensates a one-dimensional optical lattice has been built up. With different pulse sequences and different relativ detunings of the lattice beams a coherent superposition between different momentum states as well as a controlled adibatic acceleration could be achieved. With a pulse of a stationary lattice the splitting of an ensemble in opposite momentum states with an efficiency of 80% was demonstrated whereas with a pulse of a moving lattice coherent superpositions between neighboring momentum states were created. Dependig on the pulse duration and the detuning between the lattice beams the whole ensemble was transferred into any momentum state with an efficiency of up to 80%. With an adiabatic acceleration atomic ensembles were accelerated up to 6 photon recoil momenta with an efficiency of more than 90%. Another important focus of this thesis are experiments with Bose-Einstein condensates in ring-shaped dipole potentials created by a special diffractive microfabricated lens. The experiments aim for the creation of compact interferometer structures for partly condensed ensembles. Such a configuration offers the possibility to create a storage ring for Bose-Einstein condensates or to realize an interferometer of the Sagnac-Type. The optical setup for a ring-shaped dipole trap is presented and the successful loading of the trap is demonstrated. Further experimental steps to let the atoms spread along the ring are discussed. A BEC in lower dimensions is the subject of actual research. Accordingly a quasi-one-dimensional resonator was formed by combining one beam of the crossed dipole trap with a blue-detuned repulsive ring-shaped dipole potential. With this configuration the dynamics of a freely spreading BEC or of an oppositely split BEC is studied and the resulting density profiles are analyzed. As a further application of the ring-lens a circular resonator was formed by combining a plain repulsive lightfield with a repulsive ring-shaped potential. In this configuration the atoms were held like in a container so that the spreading of thermal or partly condensed ensembles could be observed.English
Uncontrolled Keywords: Bose-Einstein-Kondensation, BEC, all-optical BEC, Rb-87, Atomoptik, optische Gitter, optische Mikrostrukturen, ringförmige Dipolfalle, quasi-eindimensionaler Resonator
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Bose-Einstein-Kondensation, BEC, all-optical BEC, Rb-87, Atomoptik, optische Gitter, optische Mikrostrukturen, ringförmige Dipolfalle, quasi-eindimensionaler ResonatorGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Angewandte Physik
Fachbereich Physik
Date Deposited: 02 Sep 2010 08:51
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-22677
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard and Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 9 June 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2267
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