Geführte Atominterferometrie im optischen Wellenleiterpotential

Abstract

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.