Interfacing ultracold atoms and mechanical oscillators [Elektronische Ressource] / von Stephan Camerer

Stephan Camerer

Description

Interfacing ultracold atoms andmechanical oscillatorsDissertationan der Fakultat fur Physik der Ludwig{Maximilians{Universitat Munchen von Stephan Camereraus WurzburgMunchen, den 21. Januar 2011Erstgutachter: Professor Dr. Theodor W. HanschZweitgutachter: Professor Dr. Jorg P. KotthausTag der mundlichen Prufung: 8. April 2011Meinen ElternZusammenfassungIn dieser Dissertation stelle ich experimentelle Untersuchungen zur Kopplung zwi-schen mechanischen Oszillatoren und ultrakalten Atomen vor. Insgesamt werdendrei Kopplungsmechanismen untersucht.In einem ersten Experiment wird unter Ausnutzung des Ober achenpotentialseines mechanischen Oszillators dessen Bewegung an die Schwerpunktsbewegung einesBose-Einstein Kondensates gekoppelt. Die Tiefe des magnetischen Fallenpoten-tials wird in der Nahe des Oszillators von dessen Oberachenpotential reduziert.Auslenkung des Oszillators fuhrt zu einer Modulation von Frequenz und Minimums-position der magnetischen Falle. Der Atomzahlverlust durch die Kopplung wird inAbsorptionsabbildung bestimmt, und ermoglicht die Amplitude des Oszillators mitden Atomen auszulesen.In einem zweiten Experiment untersuchen wir die Kopplung zwischen einem mech-anischen Membran-Oszillator und optisch gefangenen thermischen Atomen. DieMembran ist der Endspiegel eines optischen Gitters und die Oszillationsbewegungder Membran koppelt uber dieses an die Schwerpunktsbewegung der Atome.

Sujets

• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 25
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

Interfacingultracoldatomsand
mechanicaloscillators

Dissertation
anderFakulta¨tfu¨rPhysik
derLudwig–Maximilians–Universita¨tMu¨nchen

vonStephanCamerer
ausW¨urzburg

Mu¨nchen,den21.Januar2011

Erstgutachter:

Zweitgutachter:

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Tagdermu¨ndlichenPru¨fung:

Theodor

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Jo¨rgP.Kotthaus

8.

April2011

nenMei

nertEl

ungnfassmeamZus

IndieserDissertationstelleichexperimentelleUntersuchungenzurKopplungzwi-
schenmechanischenOszillatorenundultrakaltenAtomenvor.Insgesamtwerden
dreiKopplungsmechanismenuntersucht.
IneinemerstenExperimentwirdunterAusnutzungdesOberfla¨chenpotentials
einesmechanischenOszillatorsdessenBewegungandieSchwerpunktsbewegungeines
Bose-EinsteinKondensatesgekoppelt.DieTiefedesmagnetischenFallenpoten-
tialswirdinderNa¨hedesOszillatorsvondessenOberfla¨chenpotentialreduziert.
AuslenkungdesOszillatorsfu¨hrtzueinerModulationvonFrequenzundMinimums-
positiondermagnetischenFalle.DerAtomzahlverlustdurchdieKopplungwirdin
Absorptionsabbildungbestimmt,undermo¨glichtdieAmplitudedesOszillatorsmit
denAtomenauszulesen.
IneinemzweitenExperimentuntersuchenwirdieKopplungzwischeneinemmech-
anischenMembran-OszillatorundoptischgefangenenthermischenAtomen.Die
MembranistderEndspiegeleinesoptischenGittersunddieOszillationsbewegung
derMembrankoppeltu¨berdiesesandieSchwerpunktsbewegungderAtome.Umge-
kehrtverteilendieAtomePhotonenzwischendenbeidenlaufendenWellenum,die
dasGitterformen,wodurchdieLeistungderlaufendenWellen,undletztlichder
aufdieMembranwirkendeStrahlungsdruckmoduliertwird.WirbeobachteninAb-
sorptionsabbildungdieactioderoszillierendenMembranaufdieAtomealsTemper-
aturerho¨hung.UmdiereactioderAtomeaufdieMembrannachzuweisen,wirddie
Da¨mpfungsratederMembranmitundohneimGittergefangenenAtomegemessen.
In¨UbereinstimmungmitdentheoretischenErwartungenmessenwireinedurchdie
Atomeerho¨hteDa¨mpfungsrate.DiesesExperimentistdererstmaligeexperimentelle
NachweisderreactioeinesatomarenEnsemblesaufeinenmechanischenOszillator.
WiruntersucheneindrittesKopplungsschema,beidemdieBewegungeinesmech-
anischenOszillatorsandenkollektivenSpineinesBose-EinsteinKondensatesgekop-
peltwird.DieSpitzeeinesmechanischenOszillatorsistmiteinemMagnetenfunk-
tionalisiert,derdessenBewegunginOszillationeneinesmagnetischenFeldesu¨ber-
setzt.Jeneu¨berfu¨hrengefangeneAtomedurchUmklappendesatomarenSpinsin
ungefangeneBewegungszusta¨nde.DieKopplungssta¨rkeisthiernichtwieindenan-
derenKopplungsschematadurchdieWurzelausdemMassenverha¨ltnisvonAtomen
undOszillatorbeschra¨nkt.WiruntersuchendiesesKopplungsschematheoretisch,
unddiskutiereneinemo¨glicheRealisierungeinesNanoresonatorsmitmagnetischer
Insel.Ichgebeeinen¨Uberblicku¨berdenStatusderFabrikation,undschlageeine
vereinfachteFabrikationsmethodevor.

Absacttr

InthisthesisIpresentexperimentsinvestigatingcontrolledcouplingbetweenme-
chanicaloscillatorsandultracoldatoms.Ireportonthreedifferentcouplingmech-
s.sminaInafirstexperiment,thesurfacepotentialexperiencedbyatomsclosetothe
mechanicaloscillatorisemployedtocoupletheoscillatormotiontothecenterof
mass(COM)motionofatrappedBose-Einsteincondensate(BEC).Themagnetic
trappingpotentialismodifiedbythesurfacepotentialarisingfromtheoscillator
surfacewhichresultsinareducedtrapdepth.Vibrationoftheoscillatorleadsto
amodulationofthetrapfrequencyandtheminimumofthetrappingpotential.
ObservingthelossofatomsfromtheBECallowsustoreadouttheamplitudeof
themechanicaloscillatorwiththeatoms.
Inasecondexperiment,westudythecouplingofamechanicalmembraneoscillator
andthermalatomstrappedina1Dopticallattice.Themembraneistheendmirror
ofthelattice,andoscillationofthemembranecouplestotheCOMmodeofthe
atomicensemble.Conversely,thecenterofmassmotionoftheatomicensemble
redistributesphotonsbetweenthetworunningwavesformingthe1Dopticallattice,
effectivelymodulatingtheirpower,andhencetheradiationpressureactingontothe
membrane.Weobservetheactionoftheoscillatingmembraneontotheatomsby
detectingtheresultingtemperatureincreaseoftheatomicensembleinabsorption
imaging.Toobservethebackactionoftheatomsontothemechanicaloscillator,
themechanicaldampingismeasuredinexperimentswithandwithoutatomsin
thelattice,andwemeasurehigherdampinginthepresenceofatomsinagreement
withthetheoreticalpredictions.Theseexperimentsarethefirstdemonstrationof
backactionofanatomicsystemontoamechanicaloscillator.
Weinvestigateathirdcouplingmechanism,wherethemotionofamechanical
oscillatoriscoupledtothecollectivespinofaBEC.Thetipofamechanicaloscil-
latorisfunctionalizedwithamagnet,whichtransducestheoscillators’motioninto
oscillationsofthemagneticfield.Thisdrivesspin-fliptransitionsoftrappedatoms
tountrappedmotionalstates.Thecouplingstrengthisnotlimitedbythesquare
rootofthemassratioofatomsandoscillatorasintheothercouplingschemesdis-
cussedinthisthesis.Weinvestigatethiscouplingschemetheoretically,anddiscuss
therealizationofananometer-sizedmechanicaloscillatorwithamagneticisland.I
reportonthestatusofthefabrication,andproposeasimplifiedfabricationmethod.

sontentC

1Introduction

2ProtagonistsandAntagonists
2.1Mechanicaloscillators...........................
2.1.1Analyticaldescription......................
2.1.2Excitation,dampingandthermalmotion............
2.1.3Towardsquantummechanicaloscillators............
2.2Ultracoldatoms..............................
2.2.1Magnetictrappingonatomschips................
2.2.2Opticaltrapping.........................

3Mechanicalcouplingviathesurfacepotential
3.1Couplingscheme.............................
3.1.1Surfacepotentials.........................
3.1.2Effectofthesurfacepotentialontotrappedatoms.......
3.1.3MechanicalmodesofBose-Einsteincondensates........
3.2Atomchipsetup.............................
3.2.1’Standard’setup.........................
3.2.2AtomchipandBECproduction.................
3.3Measurements...............................
3.3.1Characterizationofthesurfacepotential............
3.3.2Imagingofthemechanicaloscillators’resonance........
3.3.3SpectroscopyofthetrappedBEC................

4Optomechanicalcouplingviaanopticallattice
4.1Couplingscheme.............................
4.1.1Effectofthemechanicaloscillatorontotrappedatoms....
4.1.2Effectoftheatomsontothemechanicaloscillator.......
4.1.3Backactionoftheatomsontothedampingofthemembrane.
4.1.4Coupledsystem–fullyquantizedtheory............
4.2Extensionoftheatomchipsetup....................
4.2.1Michelsoninterferometerformembranereadout........
4.2.2Controlledexcitationofthemembraneamplitude.......
4.2.3Opticallatticesetup.......................

1

7773116811952

311323335337738304404245

47744851355660606676

4.3Experimentalresults...........................71
4.3.1CharacteristicsoftheSiNmembrane..............71
4.3.2Propertiesofatomsintheopticallattice............76
4.3.3Effectofthemembraneontotrappedatoms..........78
4.3.4Backactionoftheatomsontothemembrane..........83

5CouplingtothecollectivespinofaBEC87
5.1Couplingscheme.............................87
5.2Designforachievingastrongcoupling.................90
5.2.1Largethermalamplitudex..................90
msr5.2.2LargemagneticfieldgradientG................91
m5.2.3Distortionofthemagnetictrap.................92
5.2.4Trappingofatoms........................93
5.3Resolvingthermalmotion........................95
5.4MechanicalcavityQED.........................97
5.5Stepstowardstheexperimentalrealization...............98
5.5.1Fabricationmethods.......................100
5.5.2Processflow............................101
5.5.3Characterization.........................108
5.5.4Fabrication:Status........................110
5.5.5Fabrication:Perspective.....................113

okoOutl6

Appendix:Parametersofchipfabrication

hyiograpblBi

116

120

I

1Introduction

Theconceptofaharmonicoscillatorisoneofthebuildingblocksofphysicsand
appearsinvariouscontexts,rangingfromatomictosolidstatephysics,andmany
otherfields.Thepropertiesofharmonicoscillatorsareoftenvisualizedwithme-
chanicaloscillators,whereaharmonicallyboundmassoscillatesaroundapotential
minimum.However,mechanicaloscillatorsarenotonlyusedasanexamplesytem
tostudythepropertiesoftheharmonicoscillatormodel,butconstituteavividfield
ofresearchthemselves.Manyapplicationsofmicro-andnanosizedmechanicalos-
cillatorshavebeeninvestigatedinrecentyearsduetotheirhighsensitivitywith
respecttoforces[1,2],temperaturechanges[3]orthevariationoftheoscillating
mass[4].Eventhespinofasingleelectroninasolidcanbedetectedwithmagnetic
resonanceforcemicroscopy[5].

Themechanicalmodesofsuchoscillatorsarehighlyoccupiedwithphononsina
roomtemperatureenvironment,andthebehaviourofsuchoscillatorscanbede-
scribedclassically.However,manyexperiments[6,7,8,9]haverecentlyachieved
asignificantreductionofthephononnumberoccupationofmechanicalmodes,and
areonthewayto’cool’themotionofasinglemodeofamechanicaloscillatorto
thequantumgroundstate.Incontrasttothemoretraditionalapproach,where
allmechanicalmodesaresimultaneouslycooledbyreducingthethermalbathtem-
perature[10,11,12,13,14],optomechanicalcoolingappliesatechniquewhichis
similartolasercoolingofatoms[15,16].Intheopt