Novel Techniques for Atom Trapping and Large-Momentum-Transfer Atom Interferometry

Matter-wave interferometry has emerged as a vital addition to high-precision measurements of fundamental constants like the gravitational constant G and the fine-structure constant α, while enabling stringent tests of foundational principles, such as the Einstein equivalence principle. Current efforts aim to extend these techniques toward inertial sensing, magnetometry and gradiometry, gravitational-wave detection and dark-matter searches through enhanced sensitivity.

This work advances these goals by experimentally implementing Bragg diffraction-based matter-wave interferometers and introducing novel precision-enhancing methods, including correlated interferometer analysis techniques. The results are achieved at the ATOMICS experiment, which produces Bose--Einstein condensates (BEC) of 25000 Rb87 atoms in an all-optical crossed dipole trap. With a 20s experimental cycle and exceptional laboratory stability, the setup enables systematic exploration of various interferometric protocols and novel trapping geometries.

A key achievement is the first experimental realisation of a blue-detuned bottle-beam potential via conical refraction in biaxial crystals for ultracold atoms. This unique optical dipole trap confines ultracold ensembles in a three-dimensional dark focus surrounded by intensity maxima, minimising photon scattering. Numerical studies project this approach to scalable bottle-beam arrays using microlens technology, opening avenues for single-atom quantum computing architectures with extended coherence.

Central to this work is the implementation of free-space Mach--Zehnder interferometers using higher-order Bragg diffraction n≤5, combined with a novel analysis method for evaluating correlated interferometers from magnetic sublevel populations. The technique extracts differential phases induced by external magnetic field gradients through interferometric beat notes, validated against state-selective detection and ellipse-fitting methods. Complementing this, dichroic mirror pulses, a technique proposed to suppress parasitic momentum states, are experimentally demonstrated for n=3 and n=5 Bragg transitions, showcasing scalability for large momentum transfer interferometry.

Finally, a dual digital-micromirror-device system is integrated into the experiment, enabling fully configurable optical potentials. This system adiabatically generates up to four ultracold ensembles from a single thermal reservoir via dynamic dimple traps, exhibiting non-thermal expansion dynamics suggestive of incipient condensation. Future applications include high-repetition-rate BEC production for sequential interferometric measurements, bypassing the need for full experimental cycle repetition.

Collectively, these advancements expand the toolkit for quantum sensing, simulation, and metrology with ultracold atoms, while laying the groundwork for next-generation experiments in guided interferometry and atomtronic circuitry.

Materiewelleninterferometrie hat sich als wichtige Technik für Hochpräzisionsmessungen fundamentaler Konstanten wie der Gravitationskonstante G und der Feinstrukturkonstante α etabliert, während sie gleichzeitig rigorose Tests grundlegender Prinzipien wie des Einstein-Äquivalenzprinzips ermöglicht. Aktuelle Bestrebungen zielen darauf ab, diese Techniken auf Inertialsensoren, Magnetometrie und Gradiometrie, die Detektion von Gravitationswellen sowie die Suche nach Dunkler Materie durch gesteigerte Empfindlichkeit auszuweiten.

Diese Arbeit trägt zu diesen Zielen bei, indem sie experimentell Mach-Zehnder-Materiewelleninterferometer basierend auf Bragg-Beugung realisiert und neuartige Präzisionstechniken einführt, einschließlich korrelierter Interferometeranalysemethoden. Die Ergebnisse wurden mit dem ATOMICS-Experiment erzielt, das Bose-Einstein-Kondensate (BEC) aus 25000 Rb87-Atomen in einer rein optischen gekreuzten Dipolfalle erzeugt. Mit einem experimentellen Zyklus von 20s und außergewöhnlicher Laborstabilität ermöglicht der Aufbau systematische Untersuchungen interferometrischer Protokolle und Fallengeometrien.

Ein zentrales Ergebnis ist die erstmalige experimentelle Realisierung eines blauverstimmten Bottle-Beam-Potentials mittels konischer Refraktion in biaxialen Kristallen. Diese einzigartige optische Dipolfalle begrenzt ultrakalte Ensembles in einem dreidimensionalen Dunkelfokus, umgeben von Intensitätsmaxima, und minimiert dabei die Photonenstreuung. Numerische Studien erweitern diesen Ansatz auf skalierbare Bottle-Beam-Arrays mittels Mikrolinsentechnologie, was Perspektiven für Einzelatom-Quantencomputing-Architekturen bei geringen Streuraten eröffnet.

Ein weiterer Kern dieser Arbeit ist die Implementierung freier Mach--Zehnder-Interferometer mit Bragg-Beugung höherer Ordnung (n≤5), kombiniert mit einer neuartigen Analysemethode zur Entkopplung korrelierter Interferometer aus magnetischen Unterzuständen. Die Technik extrahiert durch interferometrische Schwebungen Differenzphasen, die durch externe Magnetfeldgradienten induziert werden, und validiert diese mittels zustandsselektiver Detektion und Ellipsenanpassungsmethoden. Ergänzend werden theoretisch vorgeschlagene dichroitische Spiegelpulse zur Unterdrückung parasitärer Impulszustände experimentell für n=3 und n=5 Bragg-Übergänge demonstriert, was die Skalierbarkeit für Interferometrie mit großem Impulstransfer belegt.

Abschließend wird ein zweikanaliges digitales Mikrospiegelsystem in den Aufbau integriert, das vollständig konfigurierbare optische Potentiale ermöglicht. Dieses System erzeugt adiabatisch bis zu vier ultrakalte Ensembles aus einem thermischen Reservoir via dynamischer Dimple-Fallen, wobei nicht thermische Ausdehnungsdynamiken auf beginnende Kondensation hindeuten. Zukünftige Anwendungen umfassen die Erzeugung von BECs mit hoher Wiederholrate für sequenzielle interferometrische Messungen, ohne jeweils den vollständigen experimentellen Zyklus wiederholen zu müssen.

Zusammengenommen erweitern diese Fortschritte den Werkzeugkasten für Quantensensorik, -simulation und -metrologie mit ultrakalten Atomen und legen die Grundlage für zukünftige Experimente in geführter Interferometrie und atomtronischer Schaltkreistechnologie.