Creating and purifying ultracold degenerate gases using hyperfine transitions

Abstract

In Experimenten mit ultrakalten entarteten Gasen, die Mischungen verschiedenartiger Komponenten untersuchen, sind reine Proben oft von entscheidender Bedeutung, da Verunreinigungen einer Komponente (in Form von ungewünschten Spinzuständen) zu Verlusten der anderen Komponente führen können (und das Verständnis der zugrunde liegenden Physik dadurch erheblich erschweren).<br />Diese Diplomarbeit beschreibt eine Möglichkeit eine Probe mit 87Rb Atome zu kühlen und zu reinigen, um schließlich ein Bose-Einstein Kondensat (BEK) zu erzeugen, welches nur Atome in einem einzigen Spinzustand enthält. Ermöglicht wird dies durch Verwendung eines Mikrowellensystems, das zwei unterschiedliche zustandsselektive Hyperfeinübergänge unabhängig voneinander treiben kann.<br />Ein Mikrowellensystem wurde entworfen und realisiert, um die Anforderung von zwei unabhängig voneinander kontrollierbaren Ausgangssignalen zu erfüllen: eines, um evaporativ zu kühlen, das andere, um die Probe von unerwünschten Zuständen zu säubern. Eine Helixantenne wurde entworfen, getestet und implementiert, welche die Übertragung beider Mikrowellensignale zu den Atomen von außerhalb der Vakuumkammer zu gewährleistet.<br />Bisher wurden Radiofrequenzen (RF), welche benachbarte magnetische Sublevel eines Hyperfeinzustandes koppeln, genutzt, um die Atome in diesem Experiment evaporativ zu kühlen. In einem ersten Schritt wurde das RF-Kühlen durch Einstrahlen eines einzigen Mikrowellensignals ersetzt, was jedoch zu einer Erhöhung der Atome in unerwünschten Zuständen führte und auf diese Weise das Erreichen eines BEK verhinderte. Der Ursprung dieser Verunreinigungen wurde im Detail untersucht. Es stellte sich heraus, dass das Mikrowellensignal, mit dem evaporativ gekühlt wurde, Atome vom gewünschten in einen störenden Zustand transferiert (und zwar über einen Zwischenzustand). Außerdem erzeugt der Ladeprozess in die finale magnetische Falle (ein Atomchip) und das Halten der Atome in der Falle, ohne dass man zusätzliche elektromagnetische Felder auf die Atome anwendet für die Erzeugung von Verunreinigungen, was auf eine Störquelle im Experiment hinweist.<br />Ein reines BEK konnte nur erzeugt werden, wenn man zwei Mikrowellensignale gleichzeitig auf die Atome einwirken lässt: ein Signal, um evaporativ zu kühlen, das andere, um die Verunreinigungen zu entfernen.<br />

Pure samples of ultracold degenerate gases are especially important in mixture experiments since impurities of one component (in the form of undesired spin-states) can lead to losses of the other component of the mixture (and can severely complicate the physics).<br />This diploma thesis describes a way of cooling and purifying a sample of bosonic 87Rb atoms in order to achieve a Bose-Einstein condensate (BEC) with no admixtures of atoms in any other than the desired spin-state.<br />The use of a microwave system that is capable of driving two different state-selective hyperfine transitions individually made the realisation of a pure, degenerate gas possible.<br />A microwave system was designed and built to fulfil the requirement of two individually controllable signals: one for evaporative cooling, the other for removing impurities.<br />In addition, a helical antenna was designed, tested and implemented to transmit both microwave signals to the atoms from outside of the vacuum chamber.<br />To date, radio-frequencies (RF), which couple adjacent magnetic sublevels of a hyperfine state, have been used to perform evaporative cooling for our experiment. As a first step, the RF cooling was replaced by the application of one single microwave signal for cooling, which increased the number of impurities and prevented the achievement of a BEC. The source of these impurities was investigated in detail. It was found that the microwave signal for evaporative cooling permanently transfers atoms from the desired state into an impurity state (via an intermediate state).<br />In addition, the process of loading the atoms into the final magnetic trap (an atom chip) and holding the atoms in the trap without applying any electromagnetic fields also created some impurities and indicates some source of noise.<br />A pure BEC could only be achieved when two microwave signals were applied concurrently: one for evaporative cooling the other for removing the impurities.<br />