Towards multiple measurements of a single Bose-Einstein condensate by coherent outcoupling

Mira Maiwöger

doi:10.25365/thesis.36921

Title (eng)

Parallel title (deu)

Mehrfache Messungen an demselben Bose-Einstein Kondensat durch kohärentes Auskoppeln

Author

Mira Maiwöger

Advisor

Hannes-Jörg Schmiedmayer

Assessor

Hannes-Jörg Schmiedmayer

Abstract (deu)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit kohärentem Auskoppeln als Methode um mehrfach Messungen an demselben Bose-Einstein Kondensat (BEK) vorzunehmen. Von Interesse ist insbesondere die Beobachtung von Interferenzstreifen, geformt von wenigen Atomen, die aus einem Kondensat in einem Doppelmulden Potential ausgekoppelt wurden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde kohärentes Auskopplen mithilfe von Radiofrequenz- und Mikrowellenstrahlung untersucht. Außerdem wurde ein Laser System angefertigt, das Auskoppeln mithilfe von zwei-Photonen Raman-Übergängen ermöglichen soll. Da unser Experiment Magnetfallen mit räumlich stark inhomogenen Magnetfeldern verwendet, führt der quadratische Zeeman-Effekt zu einem effektiven Potential, das ähnlich einer magnetische Linse die transversalen Dichteprofile der ausgekoppelten Atomwolken (de)fokussiert. Dieser Effekt verhindert bisher die Beobachtung von Interferenzstreifen in ausgekoppelten Atomwolken. Wir erwarten jedoch, dass dies mithilfe des Raman Laser Systems gelingen kann, da durch die räumliche Konfiguration der beiden Raman-Laserstrahlen Photonen-Impuls auf die ausgekoppelten Atome übertragen. Die Atome verlassen die Fallenregion dadurch schneller. Sobald es gelingt die relative Phase zweier BEK mithilfe von wenigen augekoppelten Atomen zu messen, kann dieses System beispielsweise zur Untersuchung von Phasendsiffusion oder der Dynamik der relativen Phase von BEK in Doppelmulden Potentialen verwendet werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Untersuchung der Rückwirkung der Messung auf das BEK und die Umsetzung von schwachen Messungen an Bose-Einstein Kondensaten.

Abstract (eng)

This thesis deals with coherent output coupling as a method to probe the same cloud of ultracold atoms multiple times. We are especially interested in observing interference fringes formed by atoms output coupled from a Bose-Einstein condensate (BEC) confined in a double-well potential. Within this thesis output coupling from magnetic traps was studied with microwave- and radiofrequency radiation. Also, a laser system was built to output couple with two-photon Raman transitions. As our experiment uses magnetic traps with spatially inhomogeneous magnetic fields, the second-order Zeeman shift gives rise to an effective potential that acts as a magnetic lens and (de)focuses the transverse density profiles of the output coupled clouds. This effect prevents the observation of interference fringes from output coupled atoms. We expect to achieve this with the Raman laser system, as we choose a spatial configuration of the two Raman laser beams such that photon-momentum is imparted onto the output coupled atoms. The atoms therefore leave the trapping region with strongly curved magnetic fields faster. Consequently, we expect the effect of the magnetic lens to be weaker. Once we are able to perform phase measurements on a fraction of output coupled atoms we can use this system to investigate phase diffusion or the dynamics of the relative phase of BECs confined in double well potentials. Further we can use output coupling to study the quantum measurement back-action on the BEC and realize weak measurements on Bose-Einstein condensates.

Keywords (eng)

Raman transitionatom laserBose-Einstein condensate

Keywords (deu)

Raman ÜbergangAtom LaserBose-Einstein Kondensat

Subject (deu)

Atomphysik, Molekülphysik

Subject (deu)

Quantenoptik, nichtlineare Optik

Type (deu)

Masterarbeit

Persistent identifier

https://phaidra.univie.ac.at/o:1315901

DOI

10.25365/thesis.36921

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30155.81534.582663-3

URI

https://utheses.univie.ac.at/detail/32728

Extent (deu)

75 S. : Ill., graph. Darst.

Number of pages

88

Study plan

Masterstudium Physik

[UA]

[066]

[876]

Association (deu)

Fakultät für Physik

Title (eng)

Towards multiple measurements of a single Bose-Einstein condensate by coherent outcoupling

Parallel title (deu)

Mehrfache Messungen an demselben Bose-Einstein Kondensat durch kohärentes Auskoppeln

Author

Mira Maiwöger

Abstract (deu)

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit kohärentem Auskoppeln als Methode um mehrfach Messungen an demselben Bose-Einstein Kondensat (BEK) vorzunehmen. Von Interesse ist insbesondere die Beobachtung von Interferenzstreifen, geformt von wenigen Atomen, die aus einem Kondensat in einem Doppelmulden Potential ausgekoppelt wurden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde kohärentes Auskopplen mithilfe von Radiofrequenz- und Mikrowellenstrahlung untersucht. Außerdem wurde ein Laser System angefertigt, das Auskoppeln mithilfe von zwei-Photonen Raman-Übergängen ermöglichen soll. Da unser Experiment Magnetfallen mit räumlich stark inhomogenen Magnetfeldern verwendet, führt der quadratische Zeeman-Effekt zu einem effektiven Potential, das ähnlich einer magnetische Linse die transversalen Dichteprofile der ausgekoppelten Atomwolken (de)fokussiert. Dieser Effekt verhindert bisher die Beobachtung von Interferenzstreifen in ausgekoppelten Atomwolken. Wir erwarten jedoch, dass dies mithilfe des Raman Laser Systems gelingen kann, da durch die räumliche Konfiguration der beiden Raman-Laserstrahlen Photonen-Impuls auf die ausgekoppelten Atome übertragen. Die Atome verlassen die Fallenregion dadurch schneller. Sobald es gelingt die relative Phase zweier BEK mithilfe von wenigen augekoppelten Atomen zu messen, kann dieses System beispielsweise zur Untersuchung von Phasendsiffusion oder der Dynamik der relativen Phase von BEK in Doppelmulden Potentialen verwendet werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Untersuchung der Rückwirkung der Messung auf das BEK und die Umsetzung von schwachen Messungen an Bose-Einstein Kondensaten.

Abstract (eng)

This thesis deals with coherent output coupling as a method to probe the same cloud of ultracold atoms multiple times. We are especially interested in observing interference fringes formed by atoms output coupled from a Bose-Einstein condensate (BEC) confined in a double-well potential. Within this thesis output coupling from magnetic traps was studied with microwave- and radiofrequency radiation. Also, a laser system was built to output couple with two-photon Raman transitions. As our experiment uses magnetic traps with spatially inhomogeneous magnetic fields, the second-order Zeeman shift gives rise to an effective potential that acts as a magnetic lens and (de)focuses the transverse density profiles of the output coupled clouds. This effect prevents the observation of interference fringes from output coupled atoms. We expect to achieve this with the Raman laser system, as we choose a spatial configuration of the two Raman laser beams such that photon-momentum is imparted onto the output coupled atoms. The atoms therefore leave the trapping region with strongly curved magnetic fields faster. Consequently, we expect the effect of the magnetic lens to be weaker. Once we are able to perform phase measurements on a fraction of output coupled atoms we can use this system to investigate phase diffusion or the dynamics of the relative phase of BECs confined in double well potentials. Further we can use output coupling to study the quantum measurement back-action on the BEC and realize weak measurements on Bose-Einstein condensates.

Keywords (eng)

Raman transitionatom laserBose-Einstein condensate

Keywords (deu)

Raman ÜbergangAtom LaserBose-Einstein Kondensat

Subject (deu)

Atomphysik, Molekülphysik

Subject (deu)

Quantenoptik, nichtlineare Optik

Type (deu)

Masterarbeit

Persistent identifier

https://phaidra.univie.ac.at/o:1315902