A Bose-Einstein condensate coupled to a micromechanical oscillator [Elektronische Ressource] / vorgelegt von David Hunger

David Hunger

Sujets

• Physik

Informations

• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 19
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

A Bose-Einstein condensate coupled
to a micromechanical oscillator
David Hunger
Dissertation
an der Fakultat fur Physik
der Ludwig-Maximilians-Universitat
Munchen
vorgelegt von
David Hunger
aus Rosenheim
Munchen, den 23. Marz 2010Erstgutachter: Professor Dr. Theodor W. Hansch
Zweitgutachter: Professor Dr. Jorg P. Kotthaus
Tag der mundlichen Prufung: 28.04.2010meiner FamilieZusammenfassung
In dieser Dissertation wird die Kopplung zwischen ultrakalten Atomen und mikro-
mechanischen Oszillatoren untersucht. In unserem Experiment positionieren wir ein
Bose-Einstein Kondensat (BEC) mithilfe Chip-basierter magnetischer Mikrofallen
nahe der Oberache eines mikromechanischen Balkenresonators. Wir zeigen, dass
attraktive Oberachenkrafte dazu verwendet werden konnen, Biegeschwingungen
des Resonators an kollektive Schwingungen der Atome in der Falle zu koppeln.
Die Kopplung ermoglicht resonante Anregung mehrerer spektral getrennter me-
chanischer Moden des BECs. Wir beobachten unter anderem die Dipolmode und
eine Kompressionsmode. Als Signatur fur die Anregung atomarer Bewegung dienen
erhohte Fallenverluste, womit Schwingungen des Resonators bis zu minimalen Am-
plituden von 13 nm detektiert werden konnen. Unter Verwendung eines Schemas
zur direkten Auslese der atomaren Bewegung sollte die Sensitivitat um etwa zwei
Grossenordnungen verbessert werden konnen.
Zur Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen Atomen und Resonator ent-
wickeln wir eine Methode, mit der die absolute Starke der Oberachenkrafte be-
stimmt werden kann. Dazu analysieren wir Messungen von Fallenverlusten an der
Resonatoroberache und Messungen zu resonanter BEC Anregung auf beiden Seiten
des Resonators. Damit lasst sich die Kopplungskonstante der Wechselwirkung quan-
titativ bestimmen. Die Messungen werden in Abstanden von 0:8 2:5 m von
der Oberache durchgefuhrt, so dass au erste Positioniergenauigkeit erforderlich
ist. Wir erreichen eine Reproduzierbarkeit der Fallenposition von unter 6 nm, deut-
lich kleiner als typische BEC Durchmesser von 500 nm. Prazise Positionierung ist
grundlegend fur eine Vielzahl weiterer Experimente, wie z.B. Messungen lokaler
Atom-Ober achenkrafte, rastermikroskopische Oberachenabbildung mit Atomen
und Kopplung von Atomen an Festkorpersysteme uber elektromagnetische Nah-
felder.
Gekoppelte Systeme aus ultrakalten Atomen und kryogenen mechanischen Os-
zillatoren werden als vielversprechendes hybrides Quantensystem diskutiert. Wir
zeigen verschiedene Systeme auf, die eine Kopplung im Quantenregime ermoglichen
konnen. Zur Kopplung uber Oberachenkrafte bedarf es keiner Spiegel, Magnete
oder Elektroden auf dem Oszillator, sodass Atome an molekulare Resonatoren wie
Kohlensto nanor ohrchen gekoppelt werden konnten. Alternativ untersuchen wir die
magnetische Kopplung eines Nanoresonators an den Spin eines BECs. In diesen Sys-
temen konnen die Atome den Oszillator signikant beeinussen, wodurch Kontrolle
und Manipulation des Oszillators moglich wird. Daruberhinaus zeigen wir auf, dass
das Regime starker Kopplung erreicht werden kann.Abstract
This thesis reports experiments on the interaction between a Bose-Einstein con-
87densate (BEC) of magnetically trapped Rb atoms and the motion of a microme-
chanical oscillator. We make use of the exceptional control provided by chip-based
magnetic microtraps to approach a microcantilever with a BEC to about one mi-
crometer distance, where atom-surface forces play an important role. We show both
theoretically and experimentally that the attractive forces close to the oscillator’s
surface can be used to coherently couple mechanical motion of the cantilever to
collective motion of the atoms in the trap.
We observe resonant coupling to several well-resolved mechanical modes of the
condensate, including in particular the center of mass mode and the breathing mode.
We use trap loss as the simplest way to detect the atomic motion induced by the
coupling. With this method we are able to sense cantilever oscillations with a min-
imum resolvable amplitude of 13 nm. We investigate the e ects that limit such
coupling experiments and nd a quantitative explanation for our observations. We
propose that the sensitivity could be improved by about two orders of magnitude
by using an improved readout scheme for the atoms.
To quantify the atom-cantilever interaction we develop a method to characterize
the absolute strength of the surface forces. We analyze measurements of atom loss in
the static surface potential and loss induced by cantilever motion on both sides of the
cantilever. This allows us to infer the value of the coupling constant that describes
the interaction. The measurements are performed at a distance of 0:8 2:5m from
the surface, which requires exceptional precision in the positioning of the atoms. We
achieve a positioning reproducibility below 6 nm, much less than the typical diameter
of 500 nm of the condensates. Such high control is an important prerequisite also
for other experiments such as measurements of local atom-surface forces, scanning
surface microscopy with atoms, and the coupling of atoms to solid state systems
through local electromagnetic elds.
Atoms coherently coupled to cryogenic mechanical oscillators are considered as
promising hybrid quantum systems. We discuss dierent schemes that could enable
atom-cantilever coupling at the quantum level. Coupling via surface forces does not
require mirrors, electrodes, or magnets on the oscillator and could thus be employed
to couple atoms to molecular-scale oscillators such as carbon nanotubes. Alterna-
tively, we discuss the magnetic coupling of a nanomechanical resonator to the spin
of a BEC. In both settings, back action of the atoms on the mechanical oscillator
can become signi