Zusammenfassung: | |
Quantensensoren auf Basis ultrakalter Gase bieten auf Grund ihrer Genauigkeit und Stabilität
große Vorteile gegenüber klassischen Sensoren in der Inertialsensorik, fundamentalen Physik,
Metrologie und Geodäsie. Die Skalierung der Sensitivität gegenüber inertialen Kräften mit der
Interferometergröße in der Raumzeit erfordert im Falle eines freifallenden Ensembles große
Apparaturen. Eine Entkopplung der Interferometergröße von der Freifallzeit kann mit Hilfe
geführter Atominterferometer erreicht werden.
Innerhalb dieser Arbeit wurde ein solches Experiment konzipiert und bis zur geführten Atominterferometrie realisert. Diese Dissertation beschreibt den experimentellen Aufbau, dessen
Charakterisierung, die Simulation kollektiver Anregungen beim Beladen des elongierten Wellenleiterpotentials, die Reduktion dieser anhand einer „Delta-Kick“ Manipulation sowie die
Realisierung eines geführten Atominterferometers in dem quasi-1D optischen Wellenleiter.
Mit Hilfe verschiedener Kühlverfahren können zuverlässig Bose-Einstein Kondensate mit bis
zu 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 gekreuzten
Dipolfalle in das stark elongierte Potential des optischen Wellenleiters führt zu starken Quadrupoloszillationen. Eine geeignete zeitliche Variation des einschließenden Potentials mit Hilfe eines
zusätzlichen transversal eingestrahlten Lichtfeldes führt zu einer Transformation der kinetischen
in 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 maximale
Impulsbreite während der Oszillation wird entsprechend von Δpmax = 1,7 ℏk auf Δpmax = 0,07 ℏk
um den Faktor ∼ 24 reduziert.
Ein „Delta-Kick“ manipuliertes Quantengas dient als Quelle des Interferometers im Wellenleiter.
Der schwache longitudinale Einschluss des Wellenleiterpotenials ermöglicht das Aufspannen
eines beschleunigungssensitiven Interferometers entlang dieser Achse. Unter Verwendung von
Doppel-Bragg Beugung wird das Wellenpaket in den Superpositionszustand aus |±2 ℏk⟩ überführt. Nach der Pulsseparationsdauer T werden die Impulse invertiert und das Mach-Zehnder
Interferometer mit einem π/2−Puls geschlossen. Proportional zur wirkenden Kraft führt die
Variation der Interferometerdauer 2T zu einer quadratisch ansteigenden differentiellen Phase in
den Interferometerarmen, welche durch die relative Atomzahl der Ausgangszustände bestimmt
werden kann. Dieses Experiment zeigt die erste Realisierung eines geführten Mach-Zehnder
Interferometers im Wellenleiter mit Doppel-Bragg Beugung. Es bietet bei gleichen Parametern
eine 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 optisch
geführten (einfach) Bragg Interferometer deutlich. Dies weist auf eine gesteigerte Robustheit
gegenüber 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.
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Lizenzbestimmungen: | CC BY 3.0 DE - http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/ |
Publikationstyp: | DoctoralThesis |
Publikationsstatus: | publishedVersion |
Erstveröffentlichung: | 2024 |
Schlagwörter (deutsch): | Bose-Einstein Kondensat, Wellenleiter, Kollektive Anregungen, Geführte Atominterferometrie, Delta-Kick Manipulation |
Schlagwörter (englisch): | Bose-Einstein Condensate, Collective Excitations, Wave Guide, Guided Atom Interferometry, Delta-Kick Manipulation |
Fachliche Zuordnung (DDC): | 530 | Physik |