Mach-Zehnder interferometry with interacting Bose-Einstein condensates in a double-well potential

Abstract

Mach-Zehnder Interferometrie mit wechselwirkenden Bose-Einstein Kondensaten in einem Doppel-Mulden-Potential Der Welle-Teilchen Dualismus ermöglicht die Konstruktion von Interferometern mit massiven Teilchen wie Elektronen, Neutronen, Atomen oder Molekülen. Die Atominterferometrie erfordert die Entwicklung von Komponenten analog zu den optischen Strahlteilern, Phasenschiebern, Kombinierern für die kohärente bzw. phasenstabile Manipulation quantenmechanischer Überlagerungszustände. Während Atominterferometer ursprünglich die Welleneigenschaften von der Materie untersucht haben, gehören sie heute zu den am weitesten entwickelten Präzisionsmessgeräten, die für technologische und fundamentale Fragestellungen verwendet werden. Bose-Einstein-Kondensate (BEK) aus ultrakalten atomaren Gasen stellen besondere Materiewellen dar: sie verfügen über eine kollektive Wellenfunktion und makroskopische Kohärenzeigenschaften. Dementsprechend werden Sie oft als Analog zu Laserlicht betrachtet und es stellt sich die Frage, ob BEKs einen ähnlichen Entwicklungsschub für Materiewelleninterferometrie bewirken können wie einst der Laser für optische Interferometrie. Ein grundlegender Unterschied zwischen BEKs und Laserlicht stellen die atomaren Wechselwirkungen dar, welche zu einer intrinsischen Nichtlinearität führen. Auf der einen Seite führen atomare Wechselwirkungen zu Dekohärenz und Dephasierung, die die Beobachtungszeit des Interferometers reduzieren. Auf der anderen Seite ermöglichen die Wechselwirkungen die Erzeugung nicht-klassischer (z. B. gequetschter) Zustände, welche die Sensitivität der BEK Interferometer über das Schrotrausch-Limit hinaus verbessern können. In dieser Dissertation wurde experimentell ein Mach-Zehnder Interferometer für Bose- Einstein-Kondensate realisiert, welche auf einem Atomchip gefangen sind. Das Interferometer basiert auf der kohärenten Manipulation des BEKs in einem Doppel-Mulden- Potential. Es wurde insbesondere ein neuartiger Materiewellen-Kombinierer realisiert, das bisher fehlende Element in der Materiewellenoptik mit BEKs. Wir nutzten atomare Wechselwirkungen, um einen gequetschten Quantenzustand mit reduzierten Anzahl uktuationen zu realisieren, der gegenüber dem Schrotrausch-Limit eine erhöhte Sensitivität aufweist. Mit Hilfe dieses Zustandes untersuchten wir die Phasendiusion, welche wiederum durch atomareWechselwirkungen erzeugt wird. Zum ersten Mal wurde auf eindeutiger Weise die Verbindung von Anzahl uktuationen und der Phasendiusion aufgezeigt. Die Verwendung eines gequetschten Zustandes erlaubte es uns, die Beobachtungszeit des Interferometers um mehr als das Doppelte zu verlängern. Dies stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung BEK Interferometrie mit nichtklassischen Zuständen dar und erweitert unser Verständnis über die Auswirkungen atomarer Wechselwirkungen in Vielteilchen-Quantensystemen. Die entwickelten Methoden sind geeignet, weitere komplexe Quantenzustände zu erzeugen und zu charakterisieren und es besteht die Honung, dass die atomaren Wechselwirkungen letztlich die Leistungsfähigkeit der Materiewelleninterferometrie verbessern können.

Mach-Zehnder interferometry with interacting Bose-Einstein condensates in a double-well potential Particle-wave duality has enabled the construction of interferometers for massive particles such as electrons, neutrons, atoms or molecules. Implementing atom interferometry has required the development of analogues to the optical beam-splitters, phase shifters or recombiners to enable the coherent, i.e. phase-preserving manipulation of quantum superpositions. While initially demonstrating the wave nature of particles, atom interferometers have evolved into some of the most advanced devices for precision measurement, both for technological applications and tests of the fundamental laws of nature. Bose- Einstein condensates (BEC) of ultracold atoms are particular matter waves: they exhibit a collective many-body wave function and macroscopic coherence properties. As such, they have often been considered as an analogue to optical laser elds and it is natural to wonder whether BECs can provide to atom interferometry a similar boost as the laser brought to optical interferometry. One fundamental dierence between atomic BECs and lasers elds is the presence of atomic interactions, yielding an intrinsic non-linearity. On one hand, interactions can lead to eects destroying the phase coherence and limiting the interrogation time of trapped BEC interferometers. On the other hand, they can be used to generate nonclassical (e.g. squeezed) states to improve the sensitivity of interferometric measurements beyond the standard quantum limit (SQL). In this thesis, we present the realization of a full Mach-Zehnder interferometric sequence with trapped, interacting BECs con ned on an atom chip. Our interferometer relies on the coherent manipulation of a BEC in a magnetic double-well potential. For this purpose, we developed a novel type of matter-wave recombiner, an element which so far was missing in BEC atom optics. We have been able to exploit interactions to generate a squeezed atomic state with reduced atom number uctuations that could potentially yield a sensitivity improvement beyond the SQL. We used this state to study the interaction-induced diusion of the quantum phase. For the rst time we directly evidenced the link between fundamental atom number uncertainty and phase diusion, and demonstrated extended coherence times by the use of a non-classical state. This constitutes an important step towards the use of BECs for quantum-enhanced matter-wave interferometry and contributes to the understanding of interacting many-body quantum systems. It opens new possibilities for the generation, manipulation and detection of non-classical atomic states, and calls for further studies of the role of interactions as a resource for matter-wave interferometry.