QuDeGPM - Quantum-Degenerate Gases for Precision Measurements
Final Report Abstract
Im vorliegenden Projekt wurde die Wechselwirkung zwischen kalten Atomen und nanostrukturierten Oberflächen untersucht. Es wurde eine Experimentieranlage konstruiert, mit der sich kalte atomare Gase und Bose-Einstein-Kondensate mit kontrollierter Geschwindigkeit in der Nähe einer definierten Oberfläche präparieren lassen. Die Atome bewegen sich dabei mit wenigen cm/s gegen die Oberfläche und werden an ihr reflektiert oder von ihr absorbiert. Die reflektierte atomare Wolke wird mit einer Kamera abgebildet. Der minimale Abstand, auf den sich die Atome der Oberfläche nähern können, kann durch ein optisches Lichtfeld eingestellt werden, das die Oberfläche unter Totalreflektion von hinten beleuchtet. Die damit verbundene evaneszente Welle erzeugt ein schnell abfallendes Dipolpotential, das die Atome von der Oberfläche abstößt. Mit dieser Apparatur wurden erstmals Casimir Polder Kräfte zwischen Rubidiumatomen und einer Glasoberfläche ortsaufgelöst im Bereich zwischen 120nm und 220nm vermessen. Diese Kräfte sind fundamental quantenmechanischere Natur und direkte Folge der Lichtquantisierung. In dem von uns beobachteten Abstandsbereich müssen Verzögerungseffekte aufgrund der optischen Laufzeit zwischen Atom und Oberfläche berücksichtigt werden. Interpolierende Näherungslösungen sind für die Erklärung der beobachteten Kräfte nicht ausreichend und man erhält eine gute Beschreibung nur mit Hilfe der vollen quantenelektrodynamischen Theorie. In einem weiteren Experiment wurden Oberflächen-Plasmon-Polaritonen in nanostrukturierten Goldschichten angeregt und deren Wechselwirkung mit den Atomen untersucht. Es konnte eine, durch die Plasmonen erzeugte Verstärkung des evaneszenten Dipolpotentials von bis zu einem Faktor 16 erreicht werden. Schließlich wurden Bose-Einstein-Kondensate an einem Gitter gebeugt, das sich aus einer Überlagerung der evaneszenten optischen Potentiale mit den Casimir-Polder-Potentialen über den Goldstreifen zusammensetzt. Die Beugungsbilder lassen sich theoretisch gut verstehen, was allerdings eine exakte Beschreibung der quantenelektrodynamischen Kräfte in der Nähe der strukturierten Oberflächen voraussetzt. Außerdem wurden begleitende Experimente zur Absorption von Rubidium an Goldoberflächen und zur Ausbreitung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen in dünnen goldbeschichteten Glasfaserspitzen durchgeführt.
Publications
- „Towards surface quantum optics with Bose-Einstein condensates in evanescent waves“, Appl. Phys. B 96, 275 (2009)
H. Bender, P. Courteille, C. Zimmermann, S. Slama
- "Ad- and desorption of Rb atoms on a gold nanofilm measured by surface plasmon polaritons", New J. Phys. 12, 083066 (2010)
C. Stehle, H. Bender, F. Jessen, C. Zimmermann, and S. Slama
- „Direct Measurement of intermediate-range Casimir-Polder potentials“, Phys. Rev. Lett. 104, 083201 (2010)
H. Bender, Ph.W. Courteille, C. Marzok, C. Zimmermann, S. Slama
- "Plasmonically tailored micropotentials for ultracold atoms", Nature Phot. 5, 494 (2011)
C. Stehle, H. Bender, C. Zimmermann, D. Kern, M. Fleischer, S. Slama
- "Coupling of optical far fields into apertureless plasmonic nanofiber tips", Phys. Rev. A 88, 063830 (2013)
D. Auwarter, J. Mihaljevic, A. J. Meixner, C. Zimmermann, S. Slama
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.88.063830) - "Direkte Kopplung von Rubidiumatomen und Oberflächenplasmonen an einer Gold-Vakuum- Grenzfläche", Dissertation an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen (2013)
C. Stehle
- "Quantenoptik an Oberflächen - Untersuchung von Atom/Oberflächen-Wechselwirkungen durch Reflektion von Bose-Einstein Kondensaten an Materiewellen", Dissertation an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen (2013)
H. Bender
- "Probing Atom-Surface Interactions by Diffraction of Bose-Einstein Condensates", Phys. Rev. X 4, 011029 (2014)
H. Bender, C. Stehle, C. Zimmermann, S. Slama, J. Fiedler, S. Scheel, S. Y. Buhmann, V. N. Marachevsky
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevX.4.011029)
