Bose-Einstein condensation in microgravity [Elektronische Ressource] : trapping of dilute quantum degenerate gases in ultra-shallow magnetic traps under microgravity conditions / von Wojciech Lewoczko-Adamczyk

Lewoczko-Adamczyk Wojciech

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• Publié le: 01 janvier 2007
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• Langue: English
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Extrait

Bose-Einstein Condensation in Microgravity
Trapping of dilute quantum-degenerate gases in ultra-shallow
magnetic traps under microgravity conditions
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
Humboldt-Universität zu Berlin
von
Herr Dipl.-Phys. Wojciech Lewoczko-Adamczyk
geboren am 01.07.1979 in Koszalin (Polen)
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Dr. h.c. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Lutz-Helmut Schön
Gutachter:
1. Prof. Dr. Achim Peters
2. Prof. Dr. Ernst Rasel
3. Prof. Dr. Hanspeter Helm
eingereicht am: 19.12.2007
Tag der mündlichen Prüfung: 16.03.2009Abstract
Recently, cooling, trapping and manipulation of neutral atoms and ions has
become an especially active field of quantum physics. The main motiva-
tion for the cooling is to reduce motional effects in high precision measure-
ments including spectroscopy, atomic clocks and matter interferometry. The
spectrum of applications of these quantum devices cover a broad area from
geodesy, through metrology up to addressing the fundamental questions in
physics, as for instance testing the Einstein’s equivalence principle. However,
the unprecedented precision of the quantum sensors is limited in terrestial
laboratories. Freezing atomic motion can be nowadays put to the limit at
which gravity becomes a major perturbation in a system. Gravity can sig-
nificantly affect and disturb the trapping potential. This limits the use of
ultra-shallow traps for low energetic particles. Moreover, free particles are
accelerated by gravitational force, which substantially limits the observation
time.
Targeting the long-term goal of studying cold quantum gases on a space
platform, we currently focus on the implementation of a Bose-Einstein con-
densate (BEC) experiment under microgravity conditions at the drop tower
in Bremen. Special challenges in the construction of the experimental setup
are posed by a low volume of the drop capsule as well as critical decelerations
up to 50g during recapture at the bottom of the tower. All mechanical and
electronic components were thus been designed with stringent demands on
miniaturization and mechanical stability.
This work reports on the observation of a BEC released from an ultra-
shallow magnetic potential and freely expanding for one second. Both, the
low trapping frequency and the long expansion time are not achievable in
any earthbound laboratory. This unprecedented time of free evolution leads
to new possibilities for the study of BEC-coherence. It can also be applied
to enhance the sensitivity of inertial quantum sensors based on ultra-cold
matter waves.
Keywords:
Bose-Einstein condensate, microgravity, magnetic trap, atom-chipAbstract
Ultra-kalte atomare Gase werden in zahlreichen Laboren weltweit untersucht
undfindenunteranderemAnwendunginAtomuhrenundinAtominterferom-
eter. Die Einsatzgebiete erstrecken sich von der Geodäsie über die Metrologie
bis hin zu wichtigen Fragestellungen der Fundamentalphysik, wie z.B. Tests
des Äquivalenzprinzips. Doch die beispiellose Messgenauigkeit ist durch die
irdische Gravitation eingeschränkt. Zum einen verzerrt die Schwerkraft das
Fallenpotential und macht damit die Reduktion der atomaren Energie unter
einem bestimmten Limit unmöglich. Zum anderen werden die aus einer Falle
frei gelassenen Teilchen durch die Erdanziehung beschleunigt und so ist deren
Beobachtungszeit begrenzt.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die Ergebnisse des Projektes QUAN-
TUS (Quantengase Unter Schwerelosigkeit) dargestellt. Auf dem Weg zur
Implementierung eines Quantengasexperimentes im Weltraum wurde inner-
halb einer deutschlandweiten Zusammenarbeit eine kompakte, portable und
mechanisch stabile Apparatur zur Erzeugung und Untersuchung eines Bose-
Einstein-Kondensats (BEC) unter Schwerelosigkeit im Fallturm Bremen en-
twickelt. Sowohl die Abbremsbeschleunigung von bis zu 50 g als auch das
begrenzte Volumen der Fallkapsel stellen hohe Ansprüche an die mechanische
Stabilität und die Miniaturisierung von optischen und elektronischen Kom-
ponenten. Der Aufbau besteht aus einer im ultra-hoch Vakuum geschlosse-
nen magnetischen Mikrofalle (Atomchip) und einem kompakten auf DFB-
Dioden basierenden Lasersystem. Mit diesem Aufbau ließ sich das erste
BEC unter Schwerelosigkeit realisieren und nach 1 Sekunde freier Expan-
sion zu beobachten. Weder die schwache Krümmung des Fallenpotentials
noch die lange Beobachtungszeit würden in einem erdgebundenen Experi-
ment realisierbar.
DieerfolgreicheUmsetzungdesProjekteseröffneteininnovativesForschungs-
gebiet-degenerierteQuantengasebeiultratiefenTemperaturenimpK-Bereich,
mit großen freien Evolutions- und Beobachtungszeiten von mehreren Sekun-
den.
Schlagwörter:
Bose-Einstein Kondensat, Schwerelosigkeit, magnetische Falle, Atom-ChipDedication
Dla kochanych rodziców.
ivContents
1 From Quantum to Cosmos 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Bose-Einstein condensate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Disadvantages of the gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Short observation time . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Deformation of the trapping potential . . . . . . . . . . 5
1.3.3 Limited trap flatness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Advantages of the space environment . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4.1 Atomic clocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.2 Atom interferometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.3 Benefits for the fundamental research . . . . . . . . . . 11
1.5 Existing cold atom platforms in microgravity . . . . . . . . . . 13
1.5.1 Experiments in the parabolic flights . . . . . . . . . . . 13
1.5.2 ACES / PHARAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.3 QUANTUS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6 Composition of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Cold atom experiment at the Drop Tower in Bremen 18
2.1 The drop tower Bremen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Requirements on the experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Quantus experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.1 Drop capsule overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3.2 Vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.3 Chip trap and mirror MOT . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.4 Laser system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3.5 Drop capsule board computer . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Time sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.1 Doppler cooling in the magneto-optical trap . . . . . . 40
2.4.2 Optical molasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.3 pumping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.4 Magnetic Z-trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
v2.4.5 Evaporative cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.4.6 Phase transition to BEC . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.7 Decompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.8 Holding trap and free expansion . . . . . . . . . . . . . 48
3 Atom chip 49
3.1 Magnetic trapping of neutral atoms . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1 Magnetic potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.2 Harmonic approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.3 Majorana losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2 Microchip traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.2.1 Principle of operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2.2 Ideal H-trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.3 Z-trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.4 Quantus chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4 First observation of the Bose-Einstein condensate in micro-
gravity 66
4.1 Evolution of the BEC in a time dependent trap . . . . . . . . 66
4.1.1 Thomas-Fermi approximation . . . . . . . . . . . . . . 67
4.1.2 Time dependent potential . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.1.3 Generalization to a rotating trap . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Evolution of the trapping potential . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2.1 Adiabatic decompression of the trap . . . . . . . . . . 69
4.2.2 Shift of the trap center by decompressing . . . . . . . . 71
4.2.3 Collective oscillation of the BEC in the decompressed
trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3 Free expansion of the BEC in microgravity . . . . . . . . . . . 76
4.3.1 Center-of-mass motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.2 Systematic errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.3 Free (?) expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5 Future perspective 85
5.1 BEC in a magnetic insensitive state . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 Bragg diffraction of the condensate . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3 The QUANTUS II project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Appendix 85
A Harmonic frequencies in a