Interaction of ultra-cold atoms with confined light fields

Abstract

In dieser Arbeit werden zwei Experimente beschrieben, die die Wechselwirkung von ultrakalten Rubidium-Atomen mit von rund 1 Mikrometer großen optischen Elementen geformten Lichtfeldern analysieren, die auf einer Oberfläche integriert sind, auf der sich auch die Drahtstrukturen für das magnetische Fangen von Atomen befinden. Das erste Experiment, das "Mikrooptik-Experiment", basiert auf einem Atomchip mit lithographisch geformten Golddrähten and Mikrostrukturen aus dem Epoxidharz SU-8 zur Befestigung optischer Fasern auf dem Chip. Der Strom durch diese Drähte in Kombination mit einem externen Magnetfeld erzeugt eine präzise geformte Magnetfalle mit einem starken Einschluss in den zwei Richtungen senkrecht und einem Schwachen entlang des Chipdrahtes. In dieser Falle kann man mithilfe von Verdampfungskühlen ein quasi-1D Bose-Einstein-Kondensat (BEC) erzeugen, welches in einen magnetischen Wellenleiter geladen werden kann. Entlang dieses Führungsdrahtes können die Atome propagieren, bis sie bei der Chipregion mit dem Faserdetektor angekommen sind, welcher mithilfe der SU-8-Strukuren am Chip integriert ist. Eine Faser, mit einem als Linse agierenden Konus, fokussiert resonantes Licht auf die beförderten Atome und eine Multimodenfaser sammelt Fluoreszenzphotonen der Atome ein. Das ergibt eine Detektionseffizienz von 66% für einzelne Atome in einem thermischen Gas bei ~50 microK, was eine Messung des Atomflusses durch den Detektor ermöglicht. Jedoch bei tieferen Temperaturen in der Nähe der Übergangstemperatur zum BEC ist die Dynamik der Atome im Detektionslicht komplexer und sie bleiben für längere Zeit - in der Größenordnung einer Sekunde - in der Nähe des Detekors gefangen. Die Atomoptik eines entlang des Wellenleiters propagierenden Atomensembles und dessen Auftreffen auf die Barriere am Ende des Wellenleiters wird für den Fall eines idealen Gas und eines 1d BECs bei T=0 diskutiert. Das Verhalten der Atome im optischen Potential im Fokus der Konusfaser wird experimentell mit dem resonantem Detektionslicht, wo die Kraft durch den Strahlungsdruck in einem inhomogenen Magnetfeld erzeugt wird, und mit einer nichtresonanten Dipolbarriere durchgeführt und verglichen. Das zweite Experiment, das "Nanofaser-Resonator-Experiment", ersetzt das erste durch ein neues Vakuumsystem, neue Spulen und Drahtstrukturen, welche die Erzeugung einer magneto-optischen Falle (MOT) in der Nähe einer Oberfläche mit Kupferstrukturen für das Magnetfeld und einer darauf montierten Nanofaser möglichen. Diese ist eine optische Faser, bei der ein Stück durch Erhitzen und Ziehen auf einen Durchmesser von nur 400 nm gebracht wird. Dort wird das meiste Licht außerhalb der Faser in einem radial abklingendem Lichtfeld transportiert. In der MOT gekühlte und gefangene Atome werden durch Verschieben des Magnetfeld-Minimums zur Position der Nanofaser gebracht, wo sie das durch die Nanofaser transmittierte Licht absorbieren. Um die Atom-Licht-Wechselwirkung zu erhöhen, wird in einem zweiten Schritt ein faserbasierter Fabry-Perot-Resonator verwendet. In diesem aus zwei Bragg-Spiegeln bestehenden Resonator, welche mit einem UV-Laser direkt in das Fasermaterial eingeschriebenen werden, passieren die Photonen das Atom 20 mal, was die Atom-Licht-Kopplung um diesen Faktor erhöht. Diese Wechselwirkung kann durch die Analyse der Verschiebung der Resonanzfrequenz des Resonators untersucht werden.

In this thesis two experiments are described, which analyse the interaction of ultra-cold rubidium atoms with the light fields formed by micrometer-sized optical elements close to a surface containing wire structures responsible for magnetically trapping the atoms. The first experiment, the "micro-optics experiment", is based on an atom chip with lithographically patterned gold wires and micro-structures built from the epoxy resist SU-8 for attaching optical fibres on top of the chip. The current through these wires in combination with an external magnetic field creates a geometrically well defined magnetic trap with a strong confinement in the two directions perpendicular a weak one along the wire. In this trap it is possible to evaporatively cool to a quasi-1d Bose-Einstein condensate (BEC). This can be loaded into a magnetic waveguide, where the atoms can propagate along a guiding wire towards a chip region with a fibre detector held by the SU-8 structures on the chip. A tapered lensed fibre focuses resonant light onto the guided atoms and a multimode fibre collects fluorescence photons from the atoms. This allows for up to 66 % detection efficiency for single atoms from a thermal gas at ~50microK and it is possible to measure the atomic flux through the detector. For smaller temperatures across the transition to a BEC the atomic dynamics in the detection light is more complex and they are trapped near the detector for a long time on the order of 1s. The atom optics of an atomic ensemble propagating along a 1d waveguide and the closing at the end of the waveguide by the optical potential produced by the detection fibre, causing the atomic trapping, is investigated further by comparing this resonant potential produced by the radiation pressure in an inhomogeneous magnetic field to an off-resonant dipole barrier and are discussed for both an ideal gas and a 1d BEC at T=0. The second experiment, the "nanofibre cavity experiment", is replacing the first one by implementing a new vacuum system, new coils and wire structures, enabling a magneto-optical trap (MOT) near a surface with copper structures providing the magnetic field and a nanofibre mounted close to it. This is an optical fibre with one part heated and pulled to a thin waist of only 400 nm diameter, where most of the light is guided outside of it in a radially evanescent field. Atoms, which are cooled and trapped in a MOT, are transferred to the position of the nanofibre by shifting the magnetic field minimum inducing absorption of the light transmitted trough the nanofibre. In order to enhance the atom-light interaction, a fibre-based Fabry-Perot resonator is used in a second step. In this resonator, which is built of two Bragg mirrors, directly written into the fibre material with a UV laser, the photons pass the atoms ~20 times thus increasing the atom-light coupling by this factor. This interaction can be probed by analysing the shift of the cavity resonance frequency.