Coherent manipulation of ultracold atoms with microwave near-fields [Elektronische Ressource] / by Pascal Alexander Böhi

Pascal Alexander Böhi

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• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 11
• Langue: English
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Extrait

Coherent manipulation of
ultracold atoms with
microwave near-fields
Dissertation
submitted to the Faculty of Physics
of the Ludwig-Maximilians-Universität
München
by
Pascal Alexander Böhi
München, July 9, 2010Erstgutachter: Professor Dr. Theodor W. Hänsch
Zweitgutachter: Dr. Philipp Treutlein
Tag der mündlichen Prüfung: 23.8.2010meinen Eltern−42×10
wirortscellenmagnehrittWiraufompdemwicGeasivbietAuslesenderhipultrakterferometer,altenz.B.Quanvtengaseeinerbderene-einfacruhellen-tellenleiterauferimendererteiKonenondentrolletvhe,onvinhternen-enundMagnetfeldsBewAbsorptionsabbildung.egungs-QuanVtenzust?ndenwsoderwieorrespKeollisions-Wbisecortabler,hselwirkungen.zurAf?rtomcMikrohipsinerm?glicderheneinersolcThedieKAonnictrollenvellen-FonimQuan-utzt.tensystemenompinhenkeinesomerdenpmitaektisteerscn,wierobustenonstruieren.undeiskaufalierbarenundAufbauten.erteilungInonstruiert.dieserPDissewrDietatif?ronhr?nkungbeinesericMikrohbteEnicvhellen-K?bsoerWissenscExpVerimeneld-Homogenit?tteecauftomeinemenAhniktomckhipolkmitultrakinalstegriertenbare,WtinellenlSondeitern,dasderenMikro-Mikroerteilungenwhenelereilen-Nahfeldere-alsMikroeinefneuetenMethozwi-deHypzuredingungktiscoh?renttenann.ManipulationhiehvstandsselektivonquanultrakertungaltemundRubidiumhvdererwPendettenwdesezurMikrodeerteilungne.ellenlMikroAwvellen-NahfeldpdamitotenStromtialedemvre-ereinenunseredietellFlexibilit?tkunddesVielseitigkveitektakul?revorgestelltenonsindoptiscRealisierunghenVFQuanallten-PhasengatterenVmitvderellen-FRobustheitistundedeutsamKdieongurierbarkteitklungvononwstatiscomphentenMikro-wiefallen.derDiehaft,MikrozurwermessungellenpFotenintialWehselwirkungs-Regionenh?ngenAvuhr.omhabineineternenecatomarenenHypwicerfeinzustandelt,ab,Wwenasonwiraltenf?rtomendieempndliczustandsselektivabstimmeundAufspaltunghvvoneBose-EinsteineKf?rondensa-Abbildentenonvwerweldvenden.mitWirr?umlicdemonstrierenAu?sungerstmaligMikrometerbdieckbomnbinierteDiekwoh?rentteeld-KManipu-onenlationtreibvRabi-Oszillationenonscinatomarenternen-erfeinzust?nden,undResonanzbBewmittelsegungs-Zust?ndensta-inheneinemabgestimmAwtominkterferometerDasaufgesceinemtAzu-tomcerhip,EinemittitativKennzeicAuswhnistunghderesInm?glicterferometerarmediedurcerteilunghvinhiedenenterneolarisationskHy-onenpsoerfeinzust?nde.PhasenWMikroeiterellenmagnetfeldsvrekerwDieendenwwirNahfeldvdieumNahfeld-PnotenntialeWumeiterviademzustandsab-tomch?ngigerwirdKermessenollisions-WdieeckhselwirkungenondierendegevquetschteaufSpin-Zust?ndeWf?rwirddiekQuanF?rten-expMetrologierimenherzustellen.enAusserdemarameterexistieren?nnensehrAmplitudenvielvMikroersprecellenmagnetfeldshendeonVzuFspZusammenfassungDerGorscmessen.hl?ge,vmittelsExpdiesertePBasisotendietialetranspeinaufQuanerscten-Phasengatterbasierenderzuten-Inrealisieren.QuanDasundVneuenermessenerfahrensvCharakterisierungononMikrowweldvellen-Flungen.eldern−4∼ 2× 10
eguidetheimagingeldelloftoultracoldenquanhniquetumtunedgases3Dissensitivitingenerationtimatelyregionsconnectedandwithdrivtheimaganeticvwailabilitters,yvofthesophisticatedwtecthehniquesefortrquanfortum-levaelernecon-Readouttrolextractionofdiereninwternalusestates,onmotionaldistribution.states,mi-andencollisionalpreseninofteractions.gateAsensors.tomdevicce.g.hipsinproclovidenosucofhasconsivtrolainresolution.compaceldton,quencyrobust,aandusingscalableisetups,itwhicandhamakonenesimaging,themtforwattractivtoenear-forhipbcorrespothexpapplicationsproandvfundamensptalvstudies.TheInithisthethesitum-enhancedsaIasrepaortofonvexpaserimenintscthathomogeneituseinaannewk.methoelopdelforusescoherenutoldmanipulatione,ovfprobultracoldcroatoms.eThemicrometermemicrotehoonendRabiishbasedwhoseonbmiciromagneticwaaevQuaneenear-elds,simplepropvidedthebofymicroaewcomas.vdemonstrateeguideextensionstructureisthatWismethofullytheinvtegrateddistributontheanaatomreconstructccurrenhip.orWtalemethogeneratesmicwrmagneticoofwcanaevfurtheretsnear-elderimenpinotenthesistpathiealsortablethatterferometercomtationbinetumthewvaersatilitmicroyeofengineeringopticalmicrotrapsawithetheesrobustnesswandastailorabilitscience,ytoofharacterizestaticeldmagneticymictherteractionooftatomicraps.cTheseWpdevotenatialsvdeptecendthatoncloudstheuncondensedinlternalacatomicatomsstate,sensitivandtunablewnon-ineauseethemesformi-state-selectivwevsplittingeldofwithRbspatialBose-EinsteinThecondensates.wWvemagneticshocompwtsforetheoscillationsrstatomictimeypcomtransitionsbinedfre-coherencantemanipulationwofthinstaticternaleld.andismotionalccomplishedstatesstate-selectivonabsorptionaning.atomtctativhip,datarealizingisaandtrappised-atomossibleinreconstructterferometeramplitudeswithphasesintheternaltstatewlabvelingmag-ofeldthepintterferometerWhilepaths.eMoreo2Dvaner,towimagingestraighuseard.microewtheadvdetermineemicronear-eldapeoteneldtialsiforaroundtheon-cpreparationwofvspin-squeezedandstatestheforondingqutaFnourtum-enhancederimenmetrologyparamethroughthecondtrollingvidestate-adepcroendenatecollisionaleldinyinectacularprogressThewhicAbstractteractions.G,Inhaddition,evvberyimpropromisingedpropwithosalsarianexistdiscussed.forexpthetsimplementedtationthofsaopquanthetumforphasergatealizationusingpthesequanpinotendevices,tials.implemenMeasuringofmicquanrophasewasaellvforeneweldsofiswimpvortaneldtforContents
Introduction 5
1 Atom chips and coherent manipulation of ultracold atoms 11
1.1 Magnetic trapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Quadrupole and Ioffe-Pritchard traps . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Quadrupole traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2 Ioffe-Pritchard traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 Static magnetic traps on atom chips . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1 Wire guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.2 U / Z shaped wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.3 Dimple trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Breit-Rabi formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5 Bose-Einstein condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.1 Non-interacting case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.5.2 Thomas-Fermi approximation . . . . . . . . . . . . . . 23
1.5.3 Intermediate regime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6 Two-photon transition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7 Two-component BECs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.7.1 Time evolution of a two-component BEC . . . . . . . . 26
1.7.2 Trap loss in a two-component BEC . . . . . . . . . . . 28
1.8 State-dependent microwave potentials . . . . . . . . . . . . . 29
1.8.1 Limit of large detuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2 A microwave atom chip 35
2.1 Microwave design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.1 Coplanar waveguide theory . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1.2 Designing the microwave chip . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.3 Microwave structures on the atom chip . . . . . . . . . 44
2.2 Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.1 Base chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2.2 Science chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
1CONTENTS
2.2.3 Combining base and science chip . . . . . . . . . . . . 55
2.2.4 Glass cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.3 DC and MW characterization of the science chip . . . . . . . . 58
3 Setup and preparation of mesoscopic BECs 65
3.1 Chip, coils & vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.1 Rubidium source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2 Magnetic shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3 Microwave and radio-frequency setup . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.1 Microwave for on-chip CPW . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.2 Microwave and radio-frequency for state preparation . 72
3.4 Current sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5 Laser system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.6 Experiment control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.7 Data acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.7.1 State-selective absorption imaging . . . . . . . . . . . . 80
3.7.2 Camera control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.8 Production of mesoscopic BECs . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.9 Atoms in the CPW near-field . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4 Imaging of microwave fields using ultracold atoms 93
4.1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.1 Rabi frequencies
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.1.2 Reconstruction of the microwave magnetic field . . . . 99
4.2 Data extraction methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2.1 Ray-tracing method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2.2 Movie method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.2.3 Comparison between both extraction methods . . . . . 104
4.2.4 Consistency check for extracted fields . . . . . . . . . . 107
4.2.5 3D imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3 Characterization of the on-chip CPW . . . . . . . . . . . . . 107
4.4tion of the microwave horn . . . . . . . . . . . . . 113
4.5 Reconstruction of the absolute microwave phase . . . . . . . . 113
4.6 Sensitivity and spatial resolution . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.7 Measurement of microwave fields with trapped atoms . . . . . 118
4.7.1 Magnetically trapped atoms . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.7.2 Optically trapped atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.8 Tunability