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Dynamics of Bose-Einstein condensates in novel optical potentials

Küber, Johannes :
Dynamics of Bose-Einstein condensates in novel optical potentials.
E-Publishing-Service der TU Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dynamics of Bose-Einstein condensates in novel optical potentials
Language: English
Abstract:

Matter wave interferometry offers a novel approach for high precision measurements, such as the determination of physical constants like the local gravity constant g or the fine-structure constant. Since its early demonstration, it has become an important tool in the fields of fundamental and applied physics. The present work covers the implementation of matter wave interferometers as well as the creation of novel guiding potentials for ultra-cold ensembles of atoms and Bose-Einstein condensates for this purpose. In addition, novel techniques for the manipulation of atoms with Bragg lattices are presented, serving as elements for interferometry. The measurements in this work are performed with a Bose-Einstein condensate of 25000 87 rubidium atoms created in a crossed optical dipole trap. The crossed optical dipole trap is loaded from a magneto-optical trap and allows a measurement every 25 s. This work introduces the novel technique of double Bragg diffraction as a tool for atom optics for the first time experimentally. The creation of beamsplitters and mirrors for advanced interferometric measurements is characterized. An in depth discussion on the momentum distribution of atomic clouds and its influence on double Bragg diffraction is given. Additionally experimental results for higher-order Bragg diffraction are explained and double Bragg diffraction is used to implement a full Ramsey-type interferometer. A second central result of this work is the implementation of novel guiding structures for ultra-cold atoms. These structures are created with conical refraction, an effect that occurs when light is guided along one of the optical axis of a bi-axial crystal. The conical refraction crystal used to operate the novel trapping geometries is a KGd(WO4)2 crystal that has been specifically cut orthogonal to one of the optical axis. Two regimes are discussed in detail: the creation of a toroidal matter wave guide and the implementation of a three-dimensional dark focus. Additional geometries accessible with conical refraction are introduced and possible applications are shown. The first regime characterized in detail is the creation of a toroidal wave guide for ultra-cold atoms and Bose-Einstein condensates. With the aid of a lightsheet potential atoms are trapped in a quasi two-dimensional ring geometry. Inside of the geometry atoms are accelerated, decelerated and held for extended storage times of up to two seconds. First attempts for the implementation of a Mach-Zehnder-type interferometer in a toroidal trap are presented. The second regime shown is the creation of a three-dimensional dark focus that is used to trap atoms in a repulsive confinement of light. The parameters of the dark focus are investigated in detail. Future application of a two-dimensional array of dark foci is shown by demonstrating the respective light field.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Materiewelleninterferometrie bietet einen neuartigen Zugang zu Hochpräzisionsmessungen physikalischer Konstanten, wie beispielweise die Messung der lokalen Erdbeschleunigung g oder der Feinstrukturkonstante. Seit ihrer ersten Demonstration hat sie sich zu einem wichtigen Werkzeug der Grundlagen- sowie der angewandten Physik entwickelt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion von Materiewelleninterferometern, sowie mit der Erzeugung neuartiger Potentiale für ultra-kalte Atome und Bose-Einstein-Kondensate für diesen Einsatzbereich. Ebenfalls werden neuartige Techniken für die Manipulation von Atomen mittels Bragg Gitter vorgestellt, welche ihre Anwendung in der Interferometrie finden. Die atomoptischen Messungen in dieser Arbeit werden mit einem Bose-Einstein-Kondensat von 25000 87 Rubidiumatomen durchgeführt. Dieses wird in einer gekreuzten Dipolfalle erzeugt, welche aus einer magnetooptischen Falle geladen wird. Der Experimentzyklus beträgt typischerweise 25s. Diese Arbeit führt erstmals Doppel-Bragg Beugung als experimentelle Technik der Atomoptik ein. Die Erzeugung von Strahlteilern sowie Spiegeln für Materiewellen für fortschrittliche interferometrische Messungen wird charakterisiert. Eine tiefgreifende Diskussion in Bezug auf die Impulsbreite von atomaren Ensembles und ihren Einfluss auf Doppel-Bragg Beugung wird geführt. Ebenfalls wird Doppel-Bragg Beugung hörer Ordnung sowie die experimentelle Umsetzung eines Ramsey-Interferometers mittels Doppel-Bragg Beugung gezeigt. Ein zweites, zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist die Erzeugung von neuartigen Wellenleitern für ultra-kalte Atome. Diese werden mit Hilfe konischer Refraktion erzeugt, ein Effekt welcher Auftritt, wenn Licht entlang einer optischen Achse eine biaxialen Kristalls eingestrahlt wird. Zur Untersuchung der konischen Refraktion wird ein KGd(WO4)2 Kristall eingesetzt. Zwei Parameterbereiche werden im Detail diskutiert: die Erzeugung eines toroidalen Materiewellenleiters sowie die Erzeugung eines dreidimensional dunklen Fokus. Zusätzliche, mittels konischer Refraktion realisierbare Geometrien, werden vorgestellt und ihre Anwendungsgebiete werden aufgezeigt. Der erste Parameterbereich beschreibt die Erzeugung des toroidalen Wellenleiters für ultra-kalte Atome und Bose-Einstein-Kondensate. Mit Hilfe eines zusätzlichen Lichtteppichs wird ein quasi zweidimensionaler Einschluss erzeugt. In diesem können Atome beschleunigt, abgebremst und für bis zu zwei Sekunden gehalten werden. Erste Versuche zur Implementierung eines Mach-Zehnder Interferometers in einer kreisförmigen Falle werden präsentiert. Der zweite Parameterbereich beschreibt die Erzeugung eines dreidimensionalen dunklen Fokus. Dieser wird als repulsiver Einschluss genutzt und seine Eigeschaften werden im Detail diskutiert. Zusätzlich wird die zukünftige Anwendung in einer zweidimensionalen Registeranordnung experimentel vorgestellt, indem die dafür notwendigen Lichtfelder charakterisiert werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: E-Publishing-Service der TU Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 12 Sep 2014 09:31
Last Modified: 12 Sep 2014 09:31
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40377
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard and Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 21 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4037
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