Mesoscopic atom chip on a block of copper

In der Vergangenheit wurde ein breites Forschungsfeld mit Bose-Einstein-kondensierten Atomproben als vielseitiges Beispielsystem zur Messung einer Vielzahl von Quanteneffekten aufgebaut.

Das Projekt "Mesoskopischer Atomchip" zielt darauf ab, eine neue Vorrichtung zur Erzeugung von Bose-Einstein-kondensierten Wolken zu entwickeln, die höhere Wiederholraten bietet, um die Einschränkungen durch die langsamen Zykluszeiten anderer BEC-Maschinen zu überwinden.

Die zeitliche Begrenzung für die Erzeugung von quantenentarteten Ensembles ist typischerweise durch die Ladezyklen der magneto-optischen Falle, sowie die Zeit für die evaporative Kühlung gegeben. Mit einem optimierten Doppel-MOT-Setup können wir die Ladezeit verkürzen. Die Zeit, die für die Evaporation benötigt wird, wird in unserem Gerät keine Einschränkung darstellen, da wir in der Lage sein werden, mehrere atomare Ensembles zu speichern, zu transportieren und gleichzeitig zu evaporieren.

Daher wurden stromführende, planare Drahtstrukturen entwickelt, um die Magnetfelder zu erzeugen, die für die magneto-optische Kühlung, sowie das magnetische Fangen und Transportieren mehrerer ultrakalter Rb-87-Wolken verwendet werden. Mit diesem Konzept könnte man entweder ein BEC schnell wieder auffüllen oder eine Kette von ultrakalten Wolken in einer Falle kombinieren, um ein BEC mit vielen Atomen zu erhalten.

Experiment

Überblick

Die Versuchsvorrichtung besteht aus einer zweidimensionalen optischen Magnetfalle, die einen kalten Atomstrahl erzeugt, um eine dreidimensionale optische Magnetfalle (3D-MOT) zu laden. Die Magnetfelder des 3D-MOT werden ausschließlich durch die planaren Drahtstrukturen eines mesoskopischen Atomchips realisiert. Anschließend werden die Atome in einer Kette von Magnetfallen transportiert. Während dieses Transports werden die Atome bis zur Quantenentartung abgekühlt.
Laser System

© Institut für Quantenoptik, Carsten Klempt

© Institut für Quantenoptik, Carsten Klempt

Das Licht zum Kühlen und Fangen von Rb-87-Atomen wird auf einem separaten optischen Tisch erzeugt und über sieben Glasfasern zum Experiment geführt.

Das Lasersystem besteht aus zwei selbstgebauten externen Hohlraumdiodenlasern und drei konischen Verstärkern zur Erzeugung des Lichts für den Betrieb einer zweidimensionalen und einer dreidimensionalen magneto-optischen Falle, sowie des Lichts für die Detektion von kalten Atomwolken.

Die Frequenz eines Lasers wird durch eine Rubidiumspektroskopie und dessen Frequenzdifferenz mit dem zweiten Laser über einen Beat-Lock stabilisiert.
Vakuum System

© Institut für Quantenoptik, Carsten Klempt

© Institut für Quantenoptik, Carsten Klempt

Unser Vakuumsystem gliedert sich in den MOT-Bereich, an dem eine differenzielle Pumpstufe angebracht ist und zur Glaszelle der 2D-MOT führt und in den Breiech der Hauptexperimentkammer. Ein Streulichtschutz, der gleichzeitig als Pumpstufe dient, trennt die beiden Bereiche, was zu besseren Vakuumbedingungen in der Experimentkammer führt.

Der Flansch auf der Oberseite des Vakuumsystems weist eine L-förmige Öffnung auf, die es ermöglicht, einen Kupferblock aufzunehmen, auf dem eine Flachdrahtstruktur in der Nähe des Bereichs montiert ist, in dem die Atome manipuliert werden. Dadurch sind weniger Vakuumdurchführungen erforderlich und die Struktur kann gewechselt werden, ohne das Vakuum zu unterbrechen.
Zweidimensionale magneto-optische Falle

© Institut für Quantenoptik, Carsten Klempt

© Institut für Quantenoptik, Carsten Klempt

© Institut für Quantenoptik, Carsten Klempt

Die zweidimensionale magneto-optische Falle erzeugt aus dem Hintergrundgas einen kalten Strahl aus Rb-87 Atomen, der zum Laden einer dreidimensionalen Falle verwendet wird.

Der Aufbau besteht aus einer CF-Flanschglaszelle für das Vakuum, die über eine differenzielle Pumpstufe mit der Hauptkammer verbunden ist. Vier rechteckige Spulen erzeugen ein längliches magnetisches Quadrupolfeld. Die Lichtfelder werden von Teleskopen bereitgestellt, die wiederum mit fasergekoppeltem Licht aus dem Lasersystem versorgt werden.

Vorversuche zeigten, dass wir mit unserem Aufbau einen Atomstrahl mit einem Fluss von mehr als 10¹⁰ Atomen/s bei einer Längsgeschwindigkeit von 18 m/s realisieren können.
Dreidimensionale magneto-optische Falle

© Institut für Quantenoptik, Carsten Klempt

© Institut für Quantenoptik, Carsten Klempt

Alle Magnetfelder im Experiment, mit Ausnahme der 2D-MOT-Felder, werden durch eine Flachdrahtstruktur erzeugt, die auf einem Kupferblock montiert ist. Mit der durch die 2D-MOT erzeugten hohen Flussdichte kann innerhalb von 300 ms eine Endzahl von 8.7x10⁹ Atomen erreicht werden.

Eine optische Melasse kühlt die Atome dann auf 25 μK ab, bevor sie in eine Magnetfalle überführt und dann in eine streulichtgeschützte Experimentkammer transportiert werden. Nachdem das Ensemble in der geschützten Region gelagert wurde, kann ein zusätzliches Ensemble in die magneto-optische Falle geladen werden.

Unsere Publikationen zu diesem Thema:

Hexapole-compensated magneto-optical trap on a mesoscopic atom chip
DOI: 10.1103/PhysRevA.83.043406
arXiv: arXiv:1012.4321
Kontinuierlich gepumptes Reservoir von ultrakalten Atomen

© Institut für Quantenoptik, Carsten Klempt

Die planare Drahtstruktur des mesoskopischen Atomchips ermöglicht die Erzeugung einer statischen magnetischen Falle an einem Ende des Chips, während die 3D-MOT am gegenüberliegenden Ende gleichzeitig betrieben wird. Eine U-förmige Bogenöffnung in der Vakuumkammer trennt die beiden Bereiche optisch. Ultrakalte Ensembles aus magnetisch abfangbaren Rubiudiumatomen werden durch die 3D-MOT und eine anschließende Zustandspräparationssequenz hergestellt. Daraufhin werden die Atome in eine Magnetführung beschleunigt, welche sie wiederum in die statische Magnetfalle am anderen Ende des mesoskopischen Chips führt. In diesem Reservoir werden die Atome gespeichert, während ein neues Ensemble in die 3D-MOT geladen wird. Die Hauptmerkmale der Magnetpotentiallandschaft (siehe linkes Bild) sind ein enges Tal der Magnetführung und ein Potentialhügel, über den die eintreffenden Atome kommen müssen, um in die Falle zu gelangen. Die längliche Fallenform sorgt dafür, dass die in die Falle eintretenden Atome kollidieren, bevor sie am Ende reflektiert werden, was zu einer effektiven Evaporationsschwelle führt. In Kombination mit dem Umladevorgang führt dies zu einem Gleichgewicht von 38 Millionen Rubidiumatomen bei einer Temperatur von 102 µK, während kein Licht vorhanden ist.

Unsere Publikationen zu diesem Thema:

A continuously pumped reservoir of ultracold atoms
DOI: 10.1088/0953-4075/48/16/165301
arXiv: arXiv:1506.06565