Superconducting microtraps for ultracold atoms

Abstract

Atom-Chips sind Mikrochips, in denen Atome und atomareWolken in miniaturisierten magnetischen Fallen gespeichert und manipuliert werden können. Modernste Fertigungstechnologien ermöglichen ein flexibles Design dieser Fallen und erlauben daher eine präzise Manipulation von atomaren Zuständen, wodurch Atom-Chips zu einem vielversprechenden Instrument in der Erzeugung und Untersuchung von quantenmechanischen Systemen werden.<br />Eine Voraussetzung für quantenmechanische Anwendungen ist die Erhaltung der Kohärenz der atomaren Zustände. In Experimenten, die bei Raumtemperatur durchgeführt werden, ist die Kohärenz der Atome durch thermische Stromschwankungen in den Leitern drastisch eingeschränkt.<br />Supraleiter bieten eine vielversprechende Option für die kohärente Manipulation atomarer Quantenzustände, da diese kein thermisches Stromrauschen aufweisen.<br />In dieser Arbeit wird das Fangen und die Manipulation von ultrakalten Rubidium Atomen in supraleitenden Mikrofallen vorgestellt. In diesem Zusammenhang wurden die einzigartigen Eigenschaften von Supraleitern genutzt, um Fallen mit einem Dauerstrom, dem Meissner Effekt und dem remanenten Zustand zu erzeugen. Im Experiment wird gezeigt, dass in supraleitenden Atom-Chips, das thermische Magnetfeld-Rauschen deutlich reduziert ist.<br />Weiterhin wird demonstriert, dass Atome als Sonden eingesetzt werden können um die Eigenschaften von supraleitenden Materialien zu untersuchen.<br />

Atom chips are integrated devices in which atoms and atomic clouds are stored and manipulated in miniaturized magnetic traps. State of the art fabrication technologies allow for a flexible design of the trapping potentials and consequently provide extraordinary control over atomic samples, which leads to a promising role of atom chips in the engineering and investigation of quantum mechanical systems. Naturally, for quantum mechanical applications, the atomic coherence has to be preserved. Using room temperature circuits, the coherence time of atoms close to the surface was found to be drastically limited by thermal current fluctuations in the conductors. Superconductors offer an elegant way to circumvent thermal noise and therefore present a promising option for the coherent manipulation of atomic quantum states.<br />In this thesis trapping and manipulation of ultracold Rubidium atoms in superconducting microtraps is demonstrated. In this connection the unique properties of superconductors are used to build traps based on persistent currents, the Meissner effect and remanent magnetization.<br />In experiment it is shown, that in superconducting atom chips, thermal magnetic field noise is significantly reduced. Furthermore it is demonstrated, that atomic samples can be employed to probe the properties of superconducting materials.<br />