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Böhi, Pascal Alexander (2010): Coherent manipulation of ultracold atoms with microwave near-fields. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The spectacular progress in the field of ultracold quantum gases is intimately connected with the availability of sophisticated techniques for quantum-level control of internal states, motional states, and collisional interactions. Atom chips provide such control in compact, robust, and scalable setups, which makes them attractive for both applications and fundamental studies. In this thesis I report on experiments that use a new method for coherent manipulation of ultracold atoms. The method is based on microwave near-fields, provided by a waveguide structure that is fully integrated on an atom chip. We generate microwave near-field potentials that combine the versatility of optical traps with the robustness and tailorability of static magnetic microtraps. These potentials depend on the internal atomic state, and we use them for state-selective splitting of Rb Bose-Einstein condensates. We show for the first time combined coherent manipulation of internal and motional states on an atom chip, realizing a trapped-atom interferometer with internal state labeling of the interferometer paths. Moreover, we use microwave near-field potentials for the preparation of spin-squeezed states for quantum-enhanced metrology through controlling state-dependent collisional interactions. In addition, very promising proposals exist for the implementation of a quantum phase gate using these potentials. Measuring microwave fields is important for engineering of microwave devices as well as in science, e.g. to characterize the field homogeneity in the interaction regions of an atomic clock. We develop a novel technique that uses clouds of uncondensed ultracold atoms as sensitive, tunable and non-invasive probes for microwave field imaging with micrometer spatial resolution. The microwave magnetic field components drive Rabi oscillations on atomic hyperfine transitions whose frequency can be tuned with a static magnetic field. Readout is accomplished using state-selective absorption imaging. Quantitative data extraction is simple and it is possible to reconstruct the amplitudes and phases of the different microwave magnetic field components. While we demonstrate 2D imaging, an extension to 3D imaging is straightforward. We use the method to determine the microwave near-field distribution around the on-chip waveguide and reconstruct the corresponding current distribution. For our experimental parameters, the method provides a microwave magnetic field sensitivity of 0.2 mG, which can even be improved further with variants discussed. The experiments presented in this thesis open the path for the realization of portable quantum-enhanced interferometer devices, the implementation of a quantum phase gate as well as for a new generation of microwave field sensors.

Abstract

Der spektakuläre Fortschritt auf dem Gebiet der ultrakalten Quantengase beruht auf der Kontrolle von internen- und Bewegungs-Quantenzuständen sowie Kollisions-Wechselwirkungen. Atomchips ermöglichen solche Kontrolle von Quantensystemen in kompakten, robusten und skalierbaren Aufbauten. In dieser Dissertation berichte ich über Experimente auf einem Atomchip mit integrierten Wellenleitern, deren Mikrowellen-Nahfelder als eine neue Methode zur kohärenten Manipulation von ultrakaltem Rubidium verwendet werden. Mikrowellen-Nahfeldpotentiale vereinen die Flexibilität und Vielseitigkeit von optischen Fallen mit der Robustheit und Konfigurierbarkeit von statischen Mikrofallen. Die Mikrowellenpotentiale hängen vom internen atomaren Hyperfeinzustand ab, was wir für die zustandsselektive Aufspaltung von Bose-Einstein Kondensaten verwenden. Wir demonstrieren erstmalig die kombinierte kohärente Manipulation von internen- und Bewegungs-Zuständen in einem Atominterferometer auf einem Atomchip, mit Kennzeichnung der Interferometerarme durch interne Hyperfeinzustände. Weiter verwenden wir die Nahfeld-Potentiale um via zustandsabhängiger Kollisions-Wechselwirkungen gequetschte Spin-Zustände für die Quanten-Metrologie herzustellen. Ausserdem existieren sehr vielversprechende Vorschläge, mittels dieser Potentiale ein Quanten-Phasengatter zu realisieren. Das Vermessen von Mikrowellen-Feldern ist bedeutsam für die Entwicklung von Mikrowellen-Komponenten sowie in der Wissenschaft, z.B. zur Vermessung der Feld-Homogenität in den Wechselwirkungs-Regionen einer Atomuhr. Wir haben eine Technik entwickelt, die Wolken von ultrakalten Atomen als empfindliche, abstimmbare, und nichtinvasive Sonden für das Abbilden von Mikrowellen-Feldverteilungen mit einer räumlichen Auflösung im Mikrometerbereich benutzt. Die Mikrowellenmagnetfeld-Komponenten treiben Rabi-Oszillationen zwischen atomaren Hyperfeinzuständen, deren Resonanzbedingung mittels eines statischen Magnetfelds abgestimmt werden kann. Das Auslesen geschieht mit zustandsselektiver Absorptionsabbildung. Eine quantitative Auswertung ist einfach und es ist möglich die Verteilung der verschiedenen Polarisationskomponenten sowie Phasen des Mikrowellenmagnetfelds zu rekonstruieren. Die Mikrowellen-Nahfeldverteilung um einen der Wellenleiter auf dem Atomchip wird vermessen und die damit korrespondierende Stromverteilung auf dem Wellenleiter wird rekonstruiert. Für unsere experimentellen Parameter können wir Amplituden des Mikrowellenmagnetfelds von bis zu 0.2 mG messen. Die vorgestellten Experimente sind Basis für die Realisierung transportabler, auf Verschränkung basierender Quanten-Interferometer, Quanten-Phasengatter und eines neuen Verfahrens zur Charakterisierung von Mikrowellen-Feldverteilungen.