Geführte Atominterferometrie im optischen Wellenleiterpotential

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Bode, Sebastian: Geführte Atominterferometrie im optischen Wellenleiterpotential. Hannover : Gottfried Wilhelm Leibniz Univ., Diss., 2024, IX, 151 S., DOI: https://doi.org/10.15488/17028

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Zusammenfassung: 
Quantensensoren auf Basis ultrakalter Gase bieten auf Grund ihrer Genauigkeit und Stabilitätgroße Vorteile gegenüber klassischen Sensoren in der Inertialsensorik, fundamentalen Physik,Metrologie und Geodäsie. Die Skalierung der Sensitivität gegenüber inertialen Kräften mit derInterferometergröße in der Raumzeit erfordert im Falle eines freifallenden Ensembles großeApparaturen. Eine Entkopplung der Interferometergröße von der Freifallzeit kann mit Hilfegeführter Atominterferometer erreicht werden.Innerhalb dieser Arbeit wurde ein solches Experiment konzipiert und bis zur geführten Atominterferometrie realisert. Diese Dissertation beschreibt den experimentellen Aufbau, dessenCharakterisierung, die Simulation kollektiver Anregungen beim Beladen des elongierten Wellenleiterpotentials, die Reduktion dieser anhand einer „Delta-Kick“ Manipulation sowie dieRealisierung eines geführten Atominterferometers in dem quasi-1D optischen Wellenleiter.Mit Hilfe verschiedener Kühlverfahren können zuverlässig Bose-Einstein Kondensate mit biszu 4 ⋅ 10^5 Atomen innerhalb von 19 s erzeugt und im magnetisch insensitiven Zustand der|F = 1⟩ −Mannigfaltigkeit präpariert werden. Die Diabatiziät des anschließenden Transferprozesses für Dauern von t < 100 s aus dem dreidimensional eingeschossenen Potential der gekreuztenDipolfalle in das stark elongierte Potential des optischen Wellenleiters führt zu starken Quadrupoloszillationen. Eine geeignete zeitliche Variation des einschließenden Potentials mit Hilfe eineszusätzlichen transversal eingestrahlten Lichtfeldes führt zu einer Transformation der kinetischenin potentielle Energie. Die Oszillationsamplitude entlang der Interferometrieachse wird dabei um∼ 14 dB von ΔR_TF = 1500 µm auf ΔR_TF = 72 µm gedämpft. Die korrespondierende maximaleImpulsbreite während der Oszillation wird entsprechend von Δpmax = 1,7 ℏk auf Δpmax = 0,07 ℏkum den Faktor ∼ 24 reduziert.Ein „Delta-Kick“ manipuliertes Quantengas dient als Quelle des Interferometers im Wellenleiter.Der schwache longitudinale Einschluss des Wellenleiterpotenials ermöglicht das Aufspanneneines beschleunigungssensitiven Interferometers entlang dieser Achse. Unter Verwendung vonDoppel-Bragg Beugung wird das Wellenpaket in den Superpositionszustand aus |±2 ℏk⟩ überführt. Nach der Pulsseparationsdauer T werden die Impulse invertiert und das Mach-ZehnderInterferometer mit einem π/2−Puls geschlossen. Proportional zur wirkenden Kraft führt dieVariation der Interferometerdauer 2T zu einer quadratisch ansteigenden differentiellen Phase inden Interferometerarmen, welche durch die relative Atomzahl der Ausgangszustände bestimmtwerden kann. Dieses Experiment zeigt die erste Realisierung eines geführten Mach-ZehnderInterferometers im Wellenleiter mit Doppel-Bragg Beugung. Es bietet bei gleichen Parameterneine Steigerung der Sensitivität um den Faktor zwei gegenüber (einfach) Bragg Interferometern aufgrund des größeren differentiellen Impulses der Wellenpakete. Die erreichten Interferometerdauern von 2T = 14,8 ms mit einer Sichtbarkeit von ν ≈ 5 % übertreffen die optischgeführten (einfach) Bragg Interferometer deutlich. Dies weist auf eine gesteigerte Robustheitgegenüber Laser-Phasenrauschen hin. Der Standardfehler Δa der vorherrschenden Beschleunigung a = 0,053 m/s2 konnte zu Δa = 1,63 ⋅ 10^−4 m/s2 bestimmt werden.
Lizenzbestimmungen: CC BY 3.0 DE
Publikationstyp: DoctoralThesis
Publikationsstatus: publishedVersion
Erstveröffentlichung: 2024
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