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Manipulation der internen und externen Freiheitsgrade neutraler Atome in optischen Mikropotentialen

Lengwenus, André :
Manipulation der internen und externen Freiheitsgrade neutraler Atome in optischen Mikropotentialen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Manipulation der internen und externen Freiheitsgrade neutraler Atome in optischen Mikropotentialen
Language: German
Abstract:

Der Einsatz mikrostrukturierter optischer Elemente ist in der heutigen quantenoptischen Forschung ein äußerst attraktiver Zugang zur kompakten und robusten Realisierung atomoptischer Experimente. Besondere Beachtung findet dabei die Manipulation der internen und externen Freiheitsgrade neutraler Atome in magnetischen und optischen Mikropotentialen. Motiviert werden diese Untersuchungen sowohl durch Anwendungen auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung, als auch durch die Möglichkeit kompakte, hochpräzise Atominterferometer zu entwickeln. Von äußerster Wichtigkeit ist hierbei sowohl der kontrollierte Transport und das Führen atomarer Ensembles in diesen Potentialen, als auch deren Auswirkungen auf die Kohärenz der atomaren Zustände. In dieser Arbeit wird ein System untersucht, bei dem neutrale 85Rb-Atome in einem zweidimensionalen Register von Dipolfallen gefangen werden können. Die Fallen werden durch homogenes Ausleuchten eines Mikrolinsenregisters mit einem einzelnen kollimierten Laserstrahl erzeugt. Durch Einstrahlen des Lichts unter einem variablen Winkel lassen sich die in der Fokalebene des Registers gefangenen Atome transportieren. Mit dieser Methode kann ein Transportweg von einem kompletten Fallenabstand (54µm) erreicht werden. Die Präzision in der Anfahrt definierter Positionen liegt dabei unter 10nm. Bei einer Transportzeit bis hinunter zu 2ms wird weder eine signifikante Erhöhung der Temperatur des atomaren Ensembles noch ein Teilchenzahlverlust beobachtet. Für den Transport über größere Distanzen wird ein Schieberegister demonstriert, das auf einem sequentiellen Verschieben und Umladen zwischen zwei getrennten Dipolfallenregisters basiert. Neben der Kontrolle der externen Freiheitsgrade können mit einem Ramanlasersystem beliebige kohärente Superpositionen der Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustands induziert werden. Mit Hilfe von Ramsey- und Echosequenzen wird die Kohärenz der internen Superpositionen untersucht. Die Ramseymessung weist dabei eine inhomogene Dephasierung mit einer Zeitkonstanten von T2*=3,8ms aufgrund der endlichen Temperatur der Atome in den Dipolfallen auf. Diese ist reversibel und lässt sich durch Erweitern der Sequenz zu einer Echomessung umkehren. Auf diese Weise ist es möglich die Kohärenzzeit der Superposition zu T2'=74ms zu bestimmen. Eine Analyse der kohärenzzerstörenden Effekte führt auf die homogene Dephasierung induziert durch Heizeffekte des Dipolfallenlasers als wahrscheinlichste Ursache für den Kontrastverlust. Der Transportprozess wirkt sich nicht auf die Kohärenzzeit aus (T2'=71ms), jedoch wird eine konstante und reproduzierbare Phasenverschiebung von <Pi/11 beobachtet. Als zweiter Schwerpunkt wird in dieser Arbeit eine neuartige mikrooptische Ringlinse vorgestellt, mit der es möglich ist, eine ringförmige Dipolfallenstruktur mit einem Durchmesser von 1,5mm zu erzeugen. Nach dem Laden neutraler Atome in die Ringstruktur wird sowohl ein freies als auch ein beschleunigtes Umlaufen des atomaren Ensembles im Ring demonstriert. Durch partielles Ausleuchten der Ringlinse mit einem elongierten Gaußstrahl wird ein kontrolliertes Führen von Atomen im Ring ermöglicht. Ein verlustfreies variables Teilen der atomaren Wolke im Ring ergänzt dieses Verfahren zu einer geschlossenen Interferometerstruktur für zukünftige atominterferometrische Messungen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The application of micro-structured optical elements to create compact and robust experiments in atom optics is an exceedingly appealing approach in today's research in the field of quantum optics. In this process, the manipulation of the internal and external degrees of freedom of neutral atoms in magnetic and optical micropotentials is of particular interest. These studies are motivated by applications in quantum information processing as well as the possibility to develop compact atom interferometers with high precision. The controlled transport and guiding of ensembles of atoms in magnetic and optical potentials and consequently the coherence of the internal states is of importance. In this thesis, a system is investigated in which neutral 85Rb atoms are trapped in a two-dimensional array of dipole traps. The traps are formed by homogeneously illuminating a micro-lens array with a single collimated laser beam. Atoms trapped in the focal plane of the array can be transported by changing the incident angle of the laser beam. In this way, a transport distance of a full trap separation (54µm) can be achieved. The precision in approaching defined position is smaller then 10nm. With transport times of 2ms neither a heating of the ensemble of atoms nor a loss of atoms is observed. To transport atoms over larger distances, a shift register is demonstrated, which is based on a consecutive transport and reloading of two independent dipole trap arrays. In addition to controlling the external degrees of freedom, it is possible to induce arbitrary coherent superpositions of the hyperfine splitting of the groundstate by using a Raman laser system. The coherence of the internal superpositions is investigated using Ramsey and echo sequences. The Ramsey measurements reveal an inhomogeneous dephasing with a time constant T2*=3,8ms, which relates to the finite temperature of the atoms in the dipole traps. This effect is reversible by extending the sequence to an echo measurement. Thus, it is possible to determine the coherence time of the superposition, which is T2'=74ms. An analysis of the effects limiting the coherence leads to homogeneous dephasing. The loss in contrast is due to heating effects induced by the dipole trap laser. The transport does not affect the coherence time (T2'=71ms), though a constant and reproducible phase shift of <Pi/11 was observed. In the second part of this thesis, a novel micro-optical ringlens is presented. With this it is possible to create a circular dipole trap with a diameter of 1,5mm. After loading the atoms into the ring structure, a free as well as an accelerated circular movement of the ensemble of atoms was demonstrated. By partially illuminating the ring lens with an elongated gaussian laser beam, a controlled guiding of atoms inside the ring can be realized. A lossless and variable splitting of the atomic cloud inside the ring expands this procedure to a closed interferometer structure for future measurements in atom interferometry.English
Uncontrolled Keywords: Speicherring
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
SpeicherringGerman
storage ringEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000928
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9281
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Birkl, Prof. Dr. Gerhard and Halfmann, Prof. Dr. Thomas
Advisors: Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 14 January 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/928
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