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Kohärente Dynamik von Bose-Einstein-Kondensaten in Dipolpotentialen

Lauber, Thomas :
Kohärente Dynamik von Bose-Einstein-Kondensaten in Dipolpotentialen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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

Angetrieben durch die vielfältigen Möglichkeiten, welche interferometrische Messmethoden mit Materiewellen für die physikalische Forschung bieten, hat die Atominterferometrie einen wichtigen Platz in der Forschung mit ultrakalten Atomen eingenommen. So erlauben es Atominterferometer bereits, z. B. die Erdbeschleunigung, Rotationen oder die Feinstrukturkonstante mit hoher Präzision zu messen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Kohärenz von Bose-Einstein-Kondensaten in Dipolpotentialen für atomoptische Elemente bzw. für Anwendungen in der Atominterferometrie. Als Werkzeug dient dabei ein Bragg-Gitter, mit dessen Hilfe interferometrische Messungen zur Charakterisierung der Kohärenz des Bose-Einstein-Kondensats durchgeführt wurden.

Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der erstmaligen Verwendung der konischen Refraktion zur Erzeugung eines ringförmigen Potentials zur Führung und Speicherung von Bose-Einstein-Kondensaten. In der Fokalebene der konischen Refraktion entsteht eine ringförmige Intensitätsverteilung, die eine Doppelringsubstruktur aufweist. Zwischen diesen beiden Ringen wurde das Kondensat gespeichert, wobei der Einschluss in der axialen Richtung durch einen Lichtteppich gewährleistet wird. Es wurde demonstriert, dass Atome, die mittels eines Bragg-Gitters beschleunigt wurden, zwei volle Umläufe im Ringpotential absolvieren können. Durch interferometrische Methoden wurde nach dem Umladen in das Potential ein Kontrast von bis zu 43% beobachtet. Die Kontrastreduktion gegenüber einer Messung im linearen Wellenleiter (53%), der aus einem Strahl der zur Erzeugung des Bose-Einstein-Kondensats genutzten Dipolfalle bestand, kann durch spontane Streuung von Photonen des Lichtteppichs begründet werden. Nach einem halben Umlauf im Ring, was einer zurückgelegten Strecke von 0,54 mm entspricht, zeigte sich, dass sowohl die Kohärenzlänge, als auch der Kontrast vergleichbar ist mit Werten, die für Kondensate nach ähnlichen Zeiten in Ruhe beobachtet werden. Bei allen interferometrischen Experimenten stimmte der beobachtete Streifenabstand mit den berechneten Werten überein.

Für einen auf Dipolpotentialen basierenden Bragg-Spiegel für Atome wurde ein Modell aus der lokalen Bandstruktur entwickelt, durch das eine gezielte Dimensionierung bzgl. der Filterwirkung und Reflektivität eines solchen Spiegels erreicht werden kann. Der Spiegel besteht aus einem räumlich begrenzten optischen Gitter mit einer Gaußschen Einhüllenden. Durch die spezielle Form der Bandlücken, wie sie durch die Gaußsche Einhüllende entsteht, lässt sich ein Resonator für Atome konstruieren, dessen Reflektivität dynamisch durch Variation der Leistung der Gitterstrahlen verändert werden kann und der Aufenhaltsdauern von über 75 s ermöglicht. Dadurch ließen sich in Simulationen Rephasierungen der Wellenfunktion beobachten, die zu einer Wiederkehr der ursprünglichen Dichteverteilung führen.

Für die Experimente wurde ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium87-Atomen in einer gekreuzten Dipolfalle durch evaporative Kühlung präpariert. Die Evaporation benötigt eine Zeit von 12 s. Zusammen mit der Ladezeit der magneto-optischen Falle und der Zeit, die für die Detektion benötigt wird, kann so etwa alle 20 s ein Bose-Einstein-Kondensat mit 15.000 Atomen und einem Kondensatanteil von 80% erzeugt werden. Es wurde beobachtet, dass ein breitbandiger Faserlaser, wie der hier verwendete mit einer Wellenlänge von 1070 nm, erhöhte intensitätsabhängige Zweikörperverluste verursacht, die in einer Lebensdauer der Atome in der Falle von unter 1 s resultieren können. Aus diesem Grund wurde der theoretisch optimale Verlauf der Evaporation modifiziert. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass die Zeitkonstante der Leistungsreduktion proportional zur Lebensdauer bei der entsprechenden Leistung sein sollte, um eine optimale Evaporation zu gewährleisten. Trotz der hohen Verlustraten wurde so eine effiziente Präparation des Bose-Einstein-Kondensats erreicht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Driven by the potential offered by interferometric measurements with matter waves, atom interferometers have evolved into an important field of research with ultra-cold atoms. Atom interferometers already allow precise determination of gravitational acceleration, rotational speed, and the fine structure constant, to give only a few examples. This thesis is aimed towards the investigation of coherence properties of Bose-Einstein condensates in dipole potentials for applications in atom optics and atom interferometry. An important tool, which was applied, is a Bragg lattice that allows interferometric measurements for characterization of the coherence of Bose-Einstein condensates. A main topic of this thesis is the application of conical refraction as a novel method for creation of a ring shaped dipole potential which can be used to store and guide Bose-Einstein condensates. In the focal plane of conical refraction a ring shaped intensity distribution evolves which has a double ring substructure. The Bose-Einstein condensate was trapped between these two rings, while a light sheet provided the confinement in the axial direction. It was demonstrated that atoms, which where accelerated by a Bragg lattice, are observable while they travel two full turns. The coherence properties can be investigated by interferometric measurements. After the transfer to the ring potential a contrast of up to 43% could be observed. The reduction of the contrast compared to experiments in a linear wave guide (53%), which is built by a single beam of the dipole trap for Bose-Einstein condensate preparation, can be explained by spontaneous scattering of photons from the light sheet. A characterization of the coherence of the condensate after it traveled a half turn, which corresponds to a distance of 0,54 mm, showed that the coherence length and the contrast are comparable with values obtained for a Bose-Einstein condensate which stays the same time at rest. For all interferometric experiments, the measured fringe period is consistent with theoretically calculated values. A Bragg mirror for atomic wave packets can be created by a finite optical lattice with a Gaussian envelope. For this system simulations were performed and a simple model based on the local band structure was developed. This model allows the design of a mirror for atoms with specific reflectivity and filtering properties. The curved shape of the band structure, which is a result of the Gaussian envelope, offers the opportunity of creating a resonator for atomic wave packets. The reflectivity of the resonator mirrors can be modified dynamically by varying the intensity of the lattice beams. This results in the ability to create a resonator with Bragg mirrors that offers a life time of more than 75 s. During this time a revival due to rephasing of the spreading wave function could be observed in simulations. The experiments presented here are performed with a Bose-Einstein condensate of Rubidium87 atoms which are cooled evaporatively in a crossed dipole trap. The time needed for evaporation is 12 s. Together with the loading period of the magneto optical trap and the detection sequence, a Bose-Einstein condensate can be produced every 20 s. With this method a Bose-Einstein condensate with a total atom number of 15,000 atoms and a condensate fraction of 80% can be prepared. It was observed that a multi-frequency fiber laser, as the one used here with 1070 nm wave length, causes high intensity dependent two body losses which can result in trap life times of less than 1 s. Due to this effect the theoretically optimal evaporation scheme was modified. It is shown experimentally that the time constant of the beam power reduction should be proportional to the life time at the specific power to provide an optimized evaporation. Due to this method an efficient evaporation is possible in spite of the strong losses.English
Uncontrolled Keywords: Bose-Einstein-Kondensat, BEC, konische Refraktion, ringförmige Dipolfalle, Atomoptik, Dipolpotentiale
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Bose-Einstein condensate, all-optical BEC, conical refraction, ring shaped dipole trap, atom optics, dipole potentialsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Fachbereich Physik > Angewandte Physik
Date Deposited: 31 Jul 2012 10:54
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30666
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard and Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 16 July 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3066
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