Atome - Photonen - Quanten

Atome - Photonen - Quanten

- Bose-Einstein-Kondensation

- Integrierte Atomoptik (ATOMICS) - Quanteninformation

- Wechselwirkung ultrakalter Atome

- Laser-Spektroskopie hochgeladener Ionen

Gerhard Birkl

www.iap.tu-darmstadt.de/apq

Atoms as

Research Objects

Quantum Optical Methods for the Control of Atoms

Quantum Physics as Research Objective

Program

Quantum Physics with Atoms

and Photons

Dissipative: Spontaneous Scattering

Laser Cooling Preparation and Readout

Preparation of Ultracold Atoms

Niedrigste Temperatur durch Laserkühlung

T = 1 μK

Kris Helmerson

T > 300 K

Fangen von Atomen mit Laserlicht: Magnetooptische Falle (MOT)

Natrium Atome

T = 200 μK

NIST

Bose-Einstein Condensation

Bose-Einstein Condensation

Bose-Einstein Condensation

Optical Control of Atoms

Dissipative: Spontaneous Scattering Conservative: Dipole Force

Laser Cooling Dipole Traps

Preparation and Readout

• • theoretical theoretical parameters parameters : : _{U U}

_{≤ ≤ 900 900 μ μ K K for for P P}

= 18 W = 18 W 40 40 μm μ m ≤ ≤ w w

≤ ≤ 65 65 μm μ m

⇒ ⇒ 900 Hz 900 Hz ≤ ≤ ν ν

≤ ≤ 2350 Hz 2350 Hz

Trap Geometries

Parameters for ‘Pure’ BEC

Optical power after evaporation: 120 mW Final trap depth: U₀/k_B = 4.3 μK Optical pumping to F=1; m_F=1: 70%

Condensed atoms: 4000

Temperature: 80 nK

Phase space density: > 3

BEC in Darmstadt

Nobel Prize for the Realisation of Bose-Einstein Condensation

Bose-Einstein Condensation of Rubidium

K. Bongs, S. Burger, G. Birkl, K. Sengstock, W. Ertmer, K. Rzazewski, A. Sanpera und M.

Lewenstein, Phys. Rev. Lett. 83, 3577 (1999).

Waveguide

⇒

Guiding Structures based on Micro-Optical Systems

Micro-optical Lens Arrays:

Guiding of atoms along the linear potential minimum in the focus of a cylindrical lens

Waveguide for atoms

similar to optical fibers

a) b)

Waveguides

Cylindrical micro lenses

Matter wave optics in optimized and complex micro- and nano- structures

• Compact atom interferometer geometries as quantum sensors

• Resonator for atomic matter waves

Matter Wave Optics

In collaboration with M. Gruber and J. Jahns, FernUniversität Hagen, Germany

T. Müther, J. Nes, A.-L. Gehrmann, M. Volk, W. Ertmer, G. Birkl, M. Gruber, J. Jahns, J. Phys.: Conf. Ser. 19, 97 - 101 (2005).

Optical Storage Ring for Neutral Atoms

Towards Quantum Computing and Quantum Information Processing

Using the characteristics of quantum mechanics gives rise to completely new ways for information

processing

Multiple realization of dipole traps by focusing a (far) red-detuned laser beam with a microlens array

Very tight foci due to high numerical aperture possible Sufficiently low rate of sponta- neous emission

Individual dipole traps can be selectively addressed due to large separation of the microlenses (typically 125 µm)

Scalable Register for Atomic Qubits

Refraktive und diffraktive Mikrolinsen

Scalable System for the Realization of Qubits

Atoms in far detuned dipole trap arrays can serve as a two-dimensional register for qubits:

R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F.B.J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002).

Parameter for dipole trap array:

P = 1 mW per Trap Trap size w

=7µm Trap depth 1 mK Temperature 20 μK

Atoms per trap 100-1000 Lifetime up to 2 s

(depending on detuning)

Number of traps > 80

Complex processor architecture based on quantum shift register with spatially separated loading and processing units

Processing Preparation Processing

Processing Readout Processing

Loading

Complex Architectures for a Quantum Processor

Shift Register for Atoms

A1 A2

F1

F2

S

Use of two arrays of dipole traps – one fixed and on shiftable - with separately controllable trap depth allows to create a shift

register for trapped neutral

atoms.

Shift Register for Atoms

Image on the LC-display Liquid Crystal

Display

Fluorescence image of trapped atoms

Freely Definable Trap Configurations

Trapping Laser

Addressing Individual Traps

Trap 8

Index of the experimental run

Signal [ADU]

Trap 8

Detection of Single Atoms

Signal [ADU]

Index of the experimental run Signal [ADU]

Numberof samples

N 0, 45

〈 〉 =

Loaded atom number is nearly Poisson distributed No atoms

1 atom

2 atoms

Statistical Loading of Single Atoms

• No or excatly

one atom per trap

• Population is

independent of the loading rate and trapping potential

Signal [ADU]

Numberof samples

Blockade Mechanism for Loading of Single Atoms

Spin Polarisation and Dipole Trap

Interactions of Ultracold Metastable Neon Atoms

Titel

Text

Collaboration with GSI

Laser Spectroscopy of Highly

Charged Ions at GSI and FAIR

SPECTRAP – Experiment at GSI

Arbeiten im Team This work has

only been possible due to dedicated work by all members of the ATOMS – Photons –

Quanta group.

Studienarbeiten

Seit Oktober 2006: 23 Bachelor-Arbeiten

26 Diplom- u. Masterarbeiten Mögliche Themen für

Bachelor- und Masterarbeiten sowie für Miniforschung:

· Quanten-Informationsverarbeitung

· Ultrakalte Quantengase

· Bose-Einstein-Kondensation (BEC)

· ATOMICS = Integrierte Atom Optik

· Anwendungen der Mikrooptik in der Atomphysik

· Wechselwirkung von ultrakalten Neonatomen

· Entwicklung und Aufbau von Lasersystemen

· Laserspektroskopie an hochgeladenen Ionen an der GSI

www.iap.physik.tu-darmstadt.de/apq

Studienarbeiten

Beispiele für abgeschlossene Bachelor-Arbeiten

•Bau eines Instruments zur Bestimmung des Radius von Laserstrahlen

•Aufbau und Test eine rauscharmen Stromtreibers für Diodenlaser

•Polarisationstester für optische Fasern

•Durchstimmverhalten von gitterstabilen Diodenlasern

•Aufbau eines Laserdiodensystems im roten Wellenlängenbereich

•Entwicklung einer auf Radiofrequenzmodulation basierenden Stabilisierung fürDiodenlaser

•Frequenzstabilisierung eines Diodenlasers durch Modulation eines Offsetmagnetfeldes

•Strahlformung und Aufbau eines Regelkreises zur Stabilisierung eines Diodenlasers

•Aufbau und Charakterisierung eines semi-konfokalen Resonators für Laserlicht bei 780 nm

•Realisierung und Optimierung einer Zwei-Frequenz-Steuerung eines Akusto-Opt. Modulators

•Aufbau und Test einer spektroskopischen Referenz für Rubidium

•Realisierung einer Sättigungsspektroskopie zur Stabilisierung von Diodenlasern

•Entwicklung einer elektronischen Ansteuerung für optomechanische Komponenten

•Untersuchungen zur Durchstimmbarkeit von Diodenlasern

•Computergestützte Steuerung und Auswertung v. Experimenten mit lasergekühlten Atomen

•Characterizing Microlenses for Optical Dipole Trap Arrays

•Aufbau und Charakterisierung eines Diodenlasers zur Chipkühlung von Rubidium

•Aufbau eines Diodenlasersystems bei 640nm

•Aufbau und vergleichende Charakterisierung von interferenzstabilisierten Diodenlasern

•Realisierung einer kompakten und fasergebundenen Diamanteinzelphotonenquelle

Studienarbeiten

Beispiele für abgeschlossene Master-Arbeiten

•Kontrollierte Adressierbarkeit eines optischen Dipolfallenregisters

•Bose-Einstein Kondensate und optische Wellenstrukturen

•Bose-Einstein Kondensate und ringförmige mikrooptische Dipolpotentiale

•Planung und Aufbau eines Experiments zur Manipulation einzelner neutraler Atome

•Aufbau eines UV-Lasersystems für die Laserspektroskopie an gespeich. hochgeladenen Ionen

•Kohärente Präzisionsspektroskopie in einem Register optischer Dipolfallen

•Charakterisierung einer UV-Laserlichtquelle zur Spektroskopie von wasserstoff-ähnlichem Bi

•Detektion von Einzelatomen in Dipolfallenregistern

•Kohärente Manipulation von lasergekühlten metastabilen Neon-Atomen mittels Stimulated Raman Adiabatic Passage

•Bose-Einstein Kondensate in eindimensionalen Gittern

•Charakterisierung von Dipolfallenregistern für die Quanteninformationsverarbeitung mit neutralen Atomen

•Optimierte Detektion neutraler Atome in Dipolfallenregistern

•Experimente mit Isotopenmischungen von kalten metastabilen Neonatomen

•Präparation von Superpositionszuständen in metastabilem Neon

•Kohärenter Transport atomarer Quantenzustände in Registern optischer Dipolfallen

Studienarbeiten

Beispiele für abgeschlossene Diplom-Arbeiten

•Aufbau und Stabilisierung eines MOPA-Systems zur Laserkühlung von Rubidium

•Aufbau eines Ramenlasersystems zur kohärenten Manipulation v. Rb für d. Quanteninformation

•Interferenzstabilisierte Diodenlaser für Licht bei 780 nm

•Vorexperimente zur Einzelatomdetektion in Dipolfallenregistern

•Speicherung von metastabilen Neon-Atomen

•Bose-Einstein-Kondensation in einer gekreuzten Dipolfalle

•Experimente mit lasergekühlten bosonischen und fermionischen Neon-Atomen

•Farbstofflasersystem zur kohärenten Manipulation von Neonatomen mittels STIRAP

•Loading Bose-Einstein Condensates into a Ring-shaped Dipole Potential