Title: Experiments with momentum-correlated atom pairs trapped in a double-well potential
Other Titles: Experimente mit impulskorrelierten Atompaaren in einem Doppeltopfpotential
Language: input.forms.value-pairs.iso-languages.en
Authors: Borselli, Filippo 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Schmiedmayer, Hannes-Jörg 
Issue Date: 2022
Citation: 
Borselli, F. (2022). Experiments with momentum-correlated atom pairs trapped in a double-well potential [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2022.102548
Number of Pages: 104
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Seit der Entdeckung von Bose-Einstein Kondensation habe sich viele Experimente deren makroskopischen Quanteneigenschaften zunutze gemacht. Labore weltweit haben verschiedene Ziele erreicht, von rein theoretischen und grundlegenden Untersuchungen bis hin zu Anwendungen in der Metrologie, Quantensimulation komplexer Systeme, Atominterferometrie und Quanteninformation. Die Atomchip-Technologie ermöglicht das Einfangen von Bose-Gasen und die Erzeugung flexibler Fallengeometrien: Einerseits stellt der Atomchip einen miniaturisierten Schaltkreis bereit, in dem niedrige statische Ströme starke einschließende magnetische Fallen für kalte atomare Ensembles erzeugen können; andererseits kann eine Kombination aus statischen und oszillierenden Strömen die Fallengeometrie in erheblichem Maße modifizieren, beispielsweise durch das Erzeugen eines Doppelmuldenpotentials.Vor fast zehn Jahren verwandelte sich in unserer Gruppe in Wien ein optimal angeregtes Bose-Gas in eine Atomkanone, die Atompaare schoss, die sich in entgegengesetzte Richtungen entlang eines einzelnen Atom-Wellenleiter-Potentials bewegten, das unter dem Atomchip erzeugt wurde. Diese impulskorrelierten Atompaare zeigten gequetschte Atomzahlfluktuationen von nahezu null zwischen den beiden Impulsmoden, was die stark korrelierte Natur der Emission demonstriert, und wurden später als Zwillingsatomstrahlen bezeichnet.Die grundlegende Idee, die dieses Projekt motivierte, war: Können wir die Zwillingsatomemission so anordnen, dass sie in einem doppelmulden- potential stattfindet? Und wenn dem so ist, können wir dann ein atomares Qubit im räumlichen Freiheitsgrad des Doppelmuldenpotentials erzeugen? Wir zeigen, dass aufgrund unseres Aufbaus erwartet wird, dass sich die emittierten Doppelzwillingsatome in einem maximal verschränkten Zustand des linken und rechten Zustands des Dopplemuldenpotentials befinden. Auch wenn wir die Verschränkung noch nicht direkt beweisen können, zeigen wir, dass es starke Indizien dafür gibt. Wir demonstrieren zum ersten Mal die Zustandsumkehr eines 1d-Bose-Gases in einem Doppelmuldenpotential und schätzen den Prozentsatz der übertragenen Population durch Anpassung der beobachteten Endzustandsentwicklung ab. Des Weiteren charakterisieren wir die Emission mit Atomzahl-Squeezing- Techniken und Korrelationsanalysen zweiter Ordnung. Beide Methoden weisen auf die Erzeugung eines maximal verschränkten Zustands zweier Atome hin, und insbesondere die Korrelationsanalysen zweiter Ordnung offenbarten das Vorhandensein von Zwei-Teilchen-Interferenzeffekten.

Since the discovery of Bose-Einstein condensation in 1995, many beautiful experiments have followed that have taken advantage of its macroscopical quantum properties. Different laboratories worldwide have realized various goals, from purely theoretical and fundamental investigations to applications in metrology, quantum simulation of more complex systems, atom interferometry, and quantum information. Atom chip technology enables trapping Bose gases and creating versatile confining geometries: on the one hand, it provides a miniaturized circuit where low static currents can generate strong confining magnetic traps for cold atomic ensembles; on the other hand, a combination of static and oscillating currents can modify to a substantial degree the confining geometry, for example by creating a double-well configuration.Nearly ten years ago, in our group in Vienna, an optimally excited Bose gas transformed into an atomic gun, shooting pairs of atoms moving in opposite directions along a single atom-waveguide potential created below the atom chip. These momentum-correlated pairs of atoms showed nearly zero atom-number squeezing between the two momenta modes demonstrating the highly correlated nature of the emission, and were later referred to as twin-atom beams.The fundamental idea motivating this project was: can we arrange the twin-atom emission to happen in a double-well configuration? And if that is so, can we then produce an atomic qubit in the double-well spatial degree of freedom? We show that, given our setup, the emitted double twin atoms are expected to be in a maximally entangled state of the double well’s left and right well states. Even though we cannot directly prove entanglement yet, we show that there is strong evidence for it. Firstly, we demonstrate the state inversion of a 1d Bose gas in a double well potential for the first time and estimate the percentage of the transferred population by a fit of the observed final state evolution. Secondly, we characterize the emission with atom-number squeezing techniques and second-order correlation analysis. Both methods point to the generation of a maximally entangled state of two atoms, and, in particular, the second-order correlation analysis reveals the presence of two-particle interference effects.
Keywords: Bose-Einstein Kondensation; Kalte Atome und Materiewellen; Verschränkung in Quantengasen
Bose-Einstein condensation; Cold atoms and matter waves; Entanglement in quantum gases
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2022.102548
http://hdl.handle.net/20.500.12708/20420
DOI: 10.34726/hss.2022.102548
Library ID: AC16555183
Organisation: E141 - Atominstitut 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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