Atome - Photonen - Quanten

Transkript

1 Atome - Photonen - Quanten - Bose-Einstein-Kondensation - Integrierte Atomoptik (ATOMICS) - Quanteninformation - Wechselwirkung ultrakalter Atome - Laser-Spektroskopie hochgeladener Ionen Gerhard Birkl

2 Program Atoms as Research Objects Quantum Optical Methods for the Control of Atoms Quantum Physics with Atoms and Photons Quantum Physics as Research Objective

3 Preparation of Ultracold Atoms Dissipative: Spontaneous Scattering Laser Cooling Preparation and Readout

4 Fangen von Atomen mit Laserlicht: Magnetooptische Falle (MOT) Kris Helmerson T > 300 K Natrium Atome T = 200 μk NIST Niedrigste Temperatur durch Laserkühlung T = 1 μk

5 Bose-Einstein Condensation

6 Bose-Einstein Condensation

7 Bose-Einstein Condensation

8 Optical Control of Atoms Dissipative: Spontaneous Scattering Laser Cooling Preparation and Readout Conservative: Dipole Force Dipole Traps

9 Trap Geometries theoretical parameters: U μk for P max = 18 W 40 μm w 0 65 μm 900 Hz ν radial 2350 Hz

10 BEC in Darmstadt Parameters for Pure BEC Optical power after evaporation: 120 mw Final trap depth: U 0 /k B = 4.3 μk Optical pumping to F=1; m F =1: 70% Condensed atoms: 4000 Temperature: 80 nk Phase space density: > 3

11 Nobel Prize for the Realisation of Bose-Einstein Condensation

12 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).

13 Micro-optical Lens Arrays: Guiding of atoms along the linear potential minimum in the focus of a cylindrical lens Guiding Structures based on Micro-Optical Systems Waveguide for atoms similar to optical fibers Waveguide

14 Matter Wave Optics Matter wave optics in optimized and complex micro- and nanostructures Compact atom interferometer geometries as quantum sensors Resonator for atomic matter waves a) b) Waveguides Cylindrical micro lenses

15 Optical Storage Ring for Neutral Atoms 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, (2005).

16 Towards Quantum Computing and Quantum Information Processing Using the characteristics of quantum mechanics gives rise to completely new ways for information processing

17 Scalable Register for Atomic Qubits 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 spontaneous emission Refraktive und diffraktive Mikrolinsen Individual dipole traps can be selectively addressed due to large separation of the microlenses (typically 125 µm)

18 Scalable System for the Realization of Qubits Atoms in far detuned dipole trap arrays can serve as a two-dimensional register for qubits: Number of traps > 80 Parameter for dipole trap array: P = 1 mw per Trap Trap size w 0 =7µm Trap depth 1 mk Temperature 20 μk Atoms per trap Lifetime up to 2 s (depending on detuning) R. Dumke, M. Volk, T. Müther, F.B.J. Buchkremer, G. Birkl, and W. Ertmer, Phys. Rev. Lett. 89, (2002).

19 Complex Architectures for a Quantum Processor Complex processor architecture based on quantum shift register with spatially separated loading and processing units Loading Preparation Processing Processing Processing Processing Readout

20 Shift Register for Atoms 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. F1 F2 S A1 A2

21 Shift Register for Atoms

22 Freely Definable Trap Configurations Liquid Crystal Display Image on the LC-display Fluorescence image of trapped atoms

23 Trapping Laser Addressing Individual Traps

24 Detection of Single Atoms Trap 8 Trap 8 Signal [ADU] Index of the experimental run

25 Statistical Loading of Single Atoms No atoms Signal [ADU] Number of samples N = 0,45 1 atom 2 atoms Index of the experimental run Signal [ADU] Loaded atom number is nearly Poisson distributed

26 Blockade Mechanism for Loading of Single Atoms No or excatly one atom per trap Number of samples Population is independent of the loading rate and trapping potential Signal [ADU]

27 Interactions of Ultracold Metastable Neon Atoms Spin Polarisation and Dipole Trap

28 Text Titel

29 Laser Spectroscopy of Highly Charged Ions at GSI and FAIR Collaboration with GSI

30 SPECTRAP Experiment at GSI

31 Arbeiten im Team This work has only been possible due to dedicated work by all members of the ATOMS Photons Quanta group.

32 Seit Oktober 2006: Mögliche Themen für 23 Bachelor-Arbeiten 26 Diplom- u. Masterarbeiten 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 Studienarbeiten

33 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

34 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

35 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