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Ultracold atoms in adjustable arrays of optical microtraps

Sturm, Martin Raphael (2018):
Ultracold atoms in adjustable arrays of optical microtraps.
Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ultracold atoms in adjustable arrays of optical microtraps
Language: English
Abstract:

Ultracold atoms in optical lattices are a powerful platform for the study of quantum many-body physics. The combination of a high degree of isolation from the environment and external control over all relevant parameters makes these systems ideal candidates for the quantum simulation of fundamental lattice models. However, since the atoms are trapped in standing waves of interfering laser beams, the available trap geometries are constrained to regular lattices and single-site control is limited.

In this thesis, an alternative experimental platform is investigated. Here, the combination of a microlens array and a spatial light modulator is used to provide a two-dimensional optical microtrap array for ultracold atoms. This setup allows for versatile trap geometries and comprehensive single-site control.

The experimental feasibility of the described platform is investigated in the following way. First, the light field generating the microtrap array is simulated using a detailed model of the optical setup. The computed intensity distribution is proportional to the optical dipole potential for the atoms. Second, the simulation results are used to obtain the Hubbard parameters for multiple alkalies from numerical calculations as well as approximative analytical methods. It is shown that the strongly correlated regimes of the Bose-Hubbard model can be reached at sufficiently large tunneling rates. In addition, the impact of fluctuations in the trap parameters is investigated. Third, two approaches are considered for the preparation of low-entropy many-body states. On the one hand, a loading scheme is investigated which starts from a Bose-Einstein condensate and is used in optical lattice experiments. Here, the depth of the microtrap array is increased adiabatically. On the other hand, an array of isolated traps, which is initialized with one atom per site in the respective motional ground state, is considered as starting point. The itinerant regime of the Hubbard model is accessed by an adiabatic decrease of the trap depth. An analysis of ramp-induced excitations and external heating processes shows the feasibility of both approaches.

Demonstrating the potential of the investigated platform, two applications are described. On the one hand, the tunneling dynamics of ultracold atoms between weakly coupled ring lattices is analyzed. Controlled by the interaction strength, multiple phenomena can be observed: Josephson oscillations exhibiting collapse and revival, inter-action-induced self-trapping, and tunneling resonances. On the other hand, the implementation of a scheme for universal quantum computing based on time-continuous quantum walks of interacting particles is proposed. Here, the information is encoded into the position of atomic wave packets moving through a planar graph which is built from optical microtraps and implements a quantum circuit. Details of an experimental implementation are discussed for both applications using the results derived in the preceding parts of this thesis.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ultrakalte Atome in optischen Gittern ermöglichen die experimentelle Untersuchung von Quantenvielteilchensystemen. Dabei sind die Atome in hohem Maße von der Umgebung isoliert und alle relevanten Systemparameter sind kontrollierbar. Dies sind ideale Voraussetzungen für die Quantensimulation von grundlegenden Gittermodellen. Allerdings schränkt die Tatsache, dass die Atome durch stehende Wellen interferierender Laserstrahlen gefangen werden, die möglichen Fallenanordnungen auf reguläre Gitter ein und erschwert die Einzelplatzkontrolle. In der vorliegenden Dissertation wird eine alternative experimentelle Plattform untersucht. Dabei wird die Kombination aus einem Mikrolinsenregister und einem räumlichen Lichtmodulator genutzt, um ein zweidimensionales Mikrofallenregister für ultrakalte Atome zu erzeugen. Dieser Ansatz ermöglicht viele unterschiedliche Fallenanordnungen und eine umfangreiche Einzelplatzkontrolle. Die Umsetzbarkeit der beschriebenen experimentellen Plattform wird im Rahmen dieser Arbeit wie folgt untersucht: Erstens wird mithilfe eines detaillierten Modells des optischen Systems das Lichtfeld simuliert, welches die Mikrofallen erzeugt. Die so berechnete Intensitätsverteilung ist proportional zum optischen Dipolpotenzial für die Atome. Zweitens werden ausgehend von diesen Simulationsergebnissen die Hubbard-Parameter für mehrere Alkali-Isotope numerisch berechnet und analytisch genähert. Die Resultate zeigen, dass das stark korrelierte Regime des Bose-Hubbard-Modells bei hinreichend großen Tunnelraten erreicht werden kann. Weiterhin wird der Einfluss von Fluktuationen der Fallenparameter untersucht. Drittens werden zwei Ansätze für die Präparation von Zuständen mit niedriger Entropie betrachtet. Diese starten von einem Bose-Einstein-Kondensat beziehungsweise einem Register deterministisch geladener, isolierter Fallen. In beiden Fällen wird die Fallentiefe adiabatisch geändert, um das System in das angestrebte Regime des Bose-Hubbard-Modells zu überführen. Eine Analyse der dabei auftretenden rampeninduzierten Anregungen und externen Heizprozesse zeigt, dass beide Ansätze experimentell umsetzbar sind. Um das Potenzial der beschriebenen Plattform zu demonstrieren, werden zwei Anwendungen beschrieben. Das erste System besteht aus zwei schwach gekoppelten Ringgittern. Die Tunneldynamik von ultrakalten Atomen zwischen diesen Ringen weist, abhängig von der Wechselwirkungsstärke, mehrere Phänomene auf: kollabierende und wiederkehrende Josephson-Oszillationen, wechselwirkungsinduziertes Self-Trapping und Tunnelresonanzen. Die zweite untersuchte Anwendung ist die Implementierung eines Schemas für einen universellen Quantencomputer, welches auf zeitkontinuierlichen Quantum-Walks von wechselwirkenden Teilchen basiert. Dabei werden die Informationen in der Position von atomaren Wellenpaketen, die sich auf einem planaren Graphen aus Mikrofallen bewegen, kodiert. Die Details von experimentellen Umsetzungen der beschriebenen Anwendungen werden, basierend auf den Ergebnissen der vorhergehenden Kapitel, diskutiert.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Theorie kalter Quantengase, Quantenoptik, Technische Optik
Date Deposited: 28 Jun 2018 07:37
Last Modified: 28 Jun 2018 07:37
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-74658
Referees: Walser, Prof. Dr. Reinhold and Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 28 May 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7465
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