Trapping and cooling of 39K using a 3D magneto optical trap for a lattice atom interferometer

Abstract

Atominterferometrie ist eine leistungsstarke Methode um fundamentale Physik zu untersuchen, dies beinhaltet Tests zu Quanteneffekten von Gravitation und die Suche nach neuen Kräften und dunkler Energie. Eine der wesentlichen Beschränkungen bei konventionellen Atominterferometern ist die endliche Zeit, in derer sich die Atome im freien Fall befinden, dies beschränkt die erreichbare Abfragezeit und damit die Messgenauigkeit. Diese Beschränkung kann überwunden werden indem man ein optisches Gitter benutzt, in welchem die Atome gegen die Schwerkraft gehalten werden, was zu höheren Interaktionszeiten führt und damit höhere Sensitivität ermöglicht. Für ein effizientes Fangen von kalten Atomen in dem optischen Gitterpotential müssen die Atome zu niedrigen Temperaturen gekühlt werden. Diese Arbeit beschreibt, wie eine kalte Wolke aus $\mathrm{^{39}K}$-Atomen mithilfe einer 3D-magneto-optischen Falle (MOT) und Gray Molasses generiert werden kann. Ein Laser-Setup für Gray Molasses auf der D1-Linie wurde konzipiert und aufgebaut. Dieses Setup wird es uns ermöglichen in zukünftigen Experimenten Temperaturen im Bereich von wenigen $\mathrm{\mu K}$ zu erreichen. Zusätzlich wurde das Abbildungssystem kalibriert, sodass quantitative Messungen der Anzahl an Atomen und Temperaturmessungen durchgeführt werden können. Durch eine Optimierung des bestehenden D2-Licht-Setups konnten wir $\mathrm{^{39}K}$-Atome in einer 3D-MOT kühlen und fangen. Wir erreichten eine maximale Anzahl von $\sim 10^6$ Atomen in unserer Atomwolke.

Atom interferometry is a powerful tool for probing fundamental physics, including tests of quantum effects of gravity and searches for fifth forces and dark energy. A key limitation of conventional atom interferometers is the finite free-fall time of the atoms, which constrains the achievable interrogation time and thus the measurement precision. This limitation can be overcome by using an optical lattice to levitate the atoms against gravity, thereby extending the interaction time and enabling higher sensitivity. For efficient trapping of cold atoms in the optical lattice potential it is necessary to cool the atoms to low temperatures. This thesis describes how to generate a cold cloud of $\mathrm{^{39}K}$ atoms using a 3D magneto optical trap (MOT) and gray molasses. A laser setup for gray molasses on the D1 line was designed and built. This will enable us to reach temperatures in the few $\mathrm{\mu K}$-range in future experiments. Additionally, the imaging system was calibrated to provide quantitative measurements of both atom number and temperature. By optimizing the existing D2 light setup, we were able to cool and trap $\mathrm{^{39}K}$ in a 3D MOT. We achieved a maximum atom number of $\sim 10^6$ atoms in our cloud.