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Bose-Einstein-Kondensate in dynamischen Dipolpotentialen aus konischer Refraktion

Schmaltz, Felix :
Bose-Einstein-Kondensate in dynamischen Dipolpotentialen aus konischer Refraktion.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Bose-Einstein-Kondensate in dynamischen Dipolpotentialen aus konischer Refraktion
Language: German
Abstract:

Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Bose-Einstein-Kondensaten (BEC) in einschließenden optischen Dipolpotentialstrukturen, mit dem Ziel, die Interferometrie von geführten BECs und die Entwicklung von komplexen Leiterstrukturen für BECs zu untersuchen. Die Basis der vorgestellten Experimente bilden 87-Rubidiumatome, die in einer gekreuzten Dipolfalle gefangen werden und dort mittels evaporativer Kühlung in die Kondensatphase überführt werden. Dieses Kondensat aus 20000 Atomen wird anschließend in lineare oder ringförmige Dipolpotentialstrukturen umgeladen.

Im ersten Teil der Arbeit wird ein System vorgestellt, welches, durch gezieltes Programmieren von phasenstabilen Referenzoszillatoren, die Kontrolle der Phaseninformation eines Atominterferometers in einem linearen Wellenleiter erlaubt. Mit Hilfe einer neuartigen Fourieranalyse der dabei gewonnenen Messdaten ist es möglich, eine robuste Definition des Interferometerkontrastes zu liefern, was wiederum Grundlage zur Bestimmung der Kohärenzzeit von 3.3 ms der Wellenfunktion in diesem System ist. Ebenso lässt sich mit der Methode erstmals ein Streifenabstand der Interferenzmuster im Dichteprofil ermitteln, welcher größer als die Ausdehnung der Dichteverteilung selbst ist. Dies ermöglicht es, den Zusammenhang von räumlicher Interferenzfrequenz, Phasengradient des Kondensats, relativer Position und Relativgeschwindigkeit der Interferometerarme sehr genau zu untersuchen. Damit wird der zeitliche Verlauf der Atom-Atom-Wechselwirkung im Wellenleiter unter Einfluss der Delta-Kick Kollimation qualitativ wiedergegeben.

Im zweiten Teil der Arbeit wird der Effekt der konischen Refraktion ausgenutzt, um neuartige Potentialgeometrien für Bose-Einstein-Kondensate zu etablieren. Dabei wird eine theoretische Beschreibung der konischen Refraktion vorgestellt, die den Einfluss der räumlichen Strukturierung des Eingangslasersstrahls in einen biaxialen Kristall auf die Lichtverteilung beschreibt. In Form einer Mikrospiegeleinheit zur Strahlmanipulation wird ein System vorgestellt, welches die zuvor beschriebenen Lichtfelder experimentell erzeugen kann. Die dabei gewonnenen Messdaten werden vorgestellt und es wird gezeigt, dass sie in sehr guter Übereinstimmung mit dem theoretischen Modell stehen. Die so erzeugten Lichtfelder werden für das Speichern und Führen von Bose-Einstein-Kondensaten eingesetzt. Durch zeitliche Änderung der Blendenbilder auf der Mikrospiegeleinheit kann die Potentialgeometrie dynamisch verändert werden, wobei die Kohärenz der eingeschlossenen Kondensate erhalten bleibt. Ausgehend von einem harmonischen Potentialeinschluss wird durch eine solche Potentialtransformation eine ringförmige Kondensatverteilung erzeugt. Außerdem wird demonstriert, dass es mit dem System möglich ist, Rotationsbewegung auf ein Bose-Einstein-Kondensat zu übertragen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis characterizes and analyzes the properties of Bose-Einstein condensates (BEC) in optical dipole potentials, which aims at the investigation of interferometry of guided BECs and the development of complex guiding structures for BECs. Using a crossed dipole trap 87-Rubidium atoms are evaporatively cooled to perform the transition to the condensate state. Afterwards a condensate of 20000 atoms can be loaded into a linear or ring-shaped dipole trap. In the first part of this thesis, a setup, using programmable and phase-stable reference oscillators, for the phase control of atom interferometers in linear wave guides is introduced. Using a Fourier analysis of the obtained experimental data a robust definition of the contrast of interference can be derived, which leads to the determination of a coherence time of the wave function in this system of 3.3 ms. For the first time it becomes possible to determine a fringe spacing of the interference, which is greater than the size of the actual density profile of the condensate. This enables one to study the relation of spatial fringe frequency, phase gradient of the condensate, as well as relative position and velocity of the interferometer legs with great precision. With this technique the impact of atom-atom interaction as a function of expansion time in a linear wave guide under the influence of Delta-kick collimation is presented in a qualitative fashion. The second part of the thesis presents the phenomenon of conical refraction and the study of novel trapping potential geometries for Bose-Einstein condensates based on it. Therefore a theoretical description of conical refraction is given, showing the impact of spatial manipulating the impinging laser beam onto a biaxial crystal on the occurring intensity pattern. Using a digital micro-mirror device a setup is introduced, that can generate the former theoretically described intensity patterns. Experimental data of these patterns are presented, wich are in good agreement with theoretical calculations. The intensity patterns generated are then exploited to contain and guide a Bose-Einstein condensate. Using dynamically modified apertures displayed on the digital micro-mirror device, the potential structures can be changed, while the BEC coherence is preserved. Starting with a harmonic confining potential, by suitable transformation, a ring shaped condensate can be produced. In addition it is possible to impose a rotational motion onto a confined Bose-Einstein condensate.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Atoms Photons Quanta
Date Deposited: 08 May 2019 11:13
Last Modified: 08 May 2019 11:13
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-84809
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard and Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 28 January 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8480
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