Experiments with the one-atom-maser [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Linas Urbonas

Linas Urbonas

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 21
• Langue: Deutsch
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Extrait

Experiments
with the
One-atom-maser
Linas Urbonas
Munc hen, 2009Experiments
with the
One-atom-maser
Dissertation
der Fakultat fur Physik der
Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen
vorgelegt von
Linas Urbonas
aus Kaunas, Litauen
Munc hen, August 2009Prof. Dr. T. W. H anschSupervisor ( rst referee):
Second referee: Prof. Dr. W. Lange
Examination date: 23.10.2009Real is what can be measured.
Max PlanckiiiZusammenfassung
Es gibt nur eine Handvoll physikalischer Systeme, die sowohl durch eine
exakte fundamentale Theorie beschrieben, als auch unter experimentellen
Bedingungen untersucht werden k onnen, die den idealisierten Annahmen
der theoretischen Beschreibung sehr nahe kommen.
Der Ein-Atom-Maser oder Micromaser stellt ein solches Beispiel dar und
macht die Untersuchung der fundamentalen Eigenschaften der Atom-Feld-
Wechselwirkung m oglich. Der Micromaser kommt dem idealisierten Fall
sehr nahe, in dem ein einzelnes Zwei-Zustands-Atom mit einer einzelnen
quantisierten Mode eines Resonatorfeldes in Wechselwirkung tritt.
Im Micromaser haben die Atome einen doppelten Zweck: Einerseits
pumpen sie das Feld, andererseits dienen sie seiner Messung, indem die
austretenden Atome gemessen werden. Jedes andere Verfahren zur Mes-
sung des Feldes im Resonator h atte den nachteiligen E ekt den Q-Faktor
des Resonators und damit die Photonen-Speicherzeit zu verringern. Die
lange Photonen-Speicherzeit im Resonator asstl den Feld-Zerfall w ahrend
der Durch ugszeit eines Atoms und seiner Wechselwirkung mit dem Feld
vernachl assigbar werden.
Das Verhalten von Atomen im Resonator wird durch einen oszillatori-
schen Energieaustausch zwischen Atomen und Feld bestimmt, der Rabi-
Oszillation genannt wird. Fur Resonator-Felder ohne oder mit wenigen Pho-
tonen (Fock-Feldzusant de), wurden diese Rabi-Oszillationen bereits gemes-
sen. Um zu verhindern, dass thermische E ekte die reinen Fock-Zust ande
verschmutzen, wurden diese Experimente bei niedrigen Temperaturen (un-
terhalb 1 K) durchgefuhrt. Die beobachtete Au osung der Rabi-Oszillatio-
nen war allerdings entt auschend (nur etwa 2% des vorhergesagten theoretis-
chen Wertes) und verhinderte ehrgeizigere Experimente wie Atom-Atom-
Korrelationen oder zeitaufgel oste Untersuchungen der Maser-Feld-Dynamik.
Der beobachtete Kontrast der Rabi-Oszillationen kann als Kennzahl fur
die Au osung der quantenmechanischen Eigenschaften des Maser-Feldes gel-
ten. Daher ist eine hohe Au osung bei der Messung der Rabi-Oszillationen
von entscheidender Bedeutung.
Da mit dem Micromaser statistische Messungen mit einzelnen Atomen
durchgefuhrt werden, die zeitaufw andig sind, muss das experimentelle Sys-
tem stabil, e zient und zuverl assig sein.
ivv
Diese Arbeit beschreibt die Methoden und Verbesserungen, die einge-
setzt wurden, um die Au osung der Messung der Rabi-Oszillationen um
einen Faktor 10 zu erh ohen. Die folgenden Verbesserungen und Entwicklun-
gen erwiesen sich dabei als entscheidend:
Die erreichte Temperatur des Kryostaten wurde auf 0:3 K, d.h. auf
ein Drittel des ursprungli chen Wertes abgesenkt. Gleichzeit wurde die
Dauer, w ahrend der das System bei dieser Temperatur verweilt um
etwa eine Gr o enordnung (auf mehr als 12 Stunden) verl angert.
Fur die Anregung der Atome ins Rydberg-Regime wurde ein neues
dreistu ges Dioden-Laser-System konstruiert. Die Anregungse zienz
wurde gegenub er dem alten Farbsto -Laser-Aufbau um zwei Gr o en-
ordnungen verbessert. Mit einer Top-of-Fringe-Stabilisierung mit Hilfe
neuer spektroskopischer Methoden, einer speziell entwickelten Fehler-
signal- und Feed-Back-Erzeugung sowie fortschrittlicher PID-Regler
bleibt das Laser-System etwa 8 Stunden stabilisiert (im Gegensatz zu
den 20 Minuten mit dem alten System).
Die Flexibilit at des dreistu gen Systems erlaubt die Anregung beson-
derer Maser-Zust ande und damit zum ersten Mal die Untersuchung
reiner Maser-Uberg ange.
Verschiedene Verbesserungen des Atomofens und der Channeltron-
Detektor-Einheiten sichern eine zuverl assige und stabile Erzeugung
und Detektion des Atomstrahls. Die beobachtete Verteilung der Atom-
strahl-Statistik erreicht bis auf 6% die Poisson-Grenze, die bei Abwe-
senheit experimenteller Unvollkommenheiten erwartet wird.
Neu entwickelte Verfahren bei der Magnetfeld-Kompenstation gestat-
ten deren Durchfuhrung mit einer um drei Gr o enordnungen verbes-
serten Au osung.
Um die neuen F ahigkeiten des Apparats zu beweisen und die verbesserte
Au osung von Quantenfeldern anzuwenden, wurde eine zuvor nicht m ogliche
detaillierte Untersuchung der mittleren Photonenzahl und der atomaren In-
version im Micromaser fur unterschiedliche Verstimmungen durchgefuhrt.Abstract
There are only stful of systems in physics that can be described by an exact
theory from rst principles and, at the same time, can be investigated under
experimental conditions approaching the idealized theoretical ones.
The one-atom-maser or micromaser provides such an example, making
a detailed study of the fundamental properties of the atom- eld interaction
possible. The situation realized in a micromaser is very close to the ideal
case of a single two-level atom interacting with a single quantized mode of
a cavity eld.
In the micromaser the atoms have a dual purpose of both pumping the
eld and also probing it via measurements of the outgoing atoms. Any other
means of measuring the eld inside the resonator has the detrimental e ect
of lowering its Q-factor and thereby the photon storage time. The long
photon storage time of the resonator allows for the decay of the eld to be
negligible during the passage of an atom and its interaction with the eld.
The behavior of atoms in a cavity is governed by the oscillatory exchange
of energy between the atoms and the eld, which is called Rabi oscillation.
For cavity elds in the vacuum and few photon number states (Fock states),
Rabi oscillations have been measured in the past. To prevent thermal e ects
from polluting the pure number states these experiments were performed
at low temperatures (below 1 K). However, the observed resolution of the
Rabi oscillations measurements was quite disappointing (only about 2% of
the predicted theoretical value) and precluded more ambitious experiments
like atom-atom correlations or time resolved investigations of the maser eld
dynamics.
The observed contrast of Rabi oscillations can be considered as a gure
of merit for the experimental resolution of quantum features of a maser
eld. Therefore, a high resolution in the measurements of Rabi oscillations
is crucial.
Since in micromaser statistical measurements with single atoms take a
lot of time, the whole experimental system should be stable, e cient and
reliable.
This thesis describes the methods and improvements applied to enhance
the resolution of Rabi oscillations by a factor of 10. The following upgrades
and developments proved to be crucial in this work:
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