Ein Materiewellenlinsensystem zur Kollimierung der Expansion eines Bose-Einstein Kondensates unter Schwerelosigkeit

Abstract

Quantensensoren basierend auf Materiewelleninterferometrie können zur Vermessung einer Vielzahl verschiedenster physikalischer Größen verwendet werden. Die Anwendung reicht von der präzisen Bestimmung fundamentaler Naturkonstanten bis zur Vermessung inertialer Kräfte wie Beschleunigungen und Rotationen. Hiermit lassen sich bspw. quantenbasierte Inertialsensoren für Navigationsaufgaben, Gravimeter oder auch Gradiometer realisieren. Hierzu sind ultrakalte oder kondensierte atomare Ensembles notwendig, da die Sensitivität des Materiewelleninterferometers mit der Dauer des Interferometers skaliert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwiefern sich die Expansionseigenschaften eines Quantengases manipulieren lassen um die Detektierbarkeit auch nach Freifallzeiten von mehreren Sekunden zu gewahrleisten. Hierzu wurde eine kompakte und robuste Quelle quantenentarteter Gase in der Mikrogravitationsumgebung des Fallturm Bremen genutzt. Mit ihr lassen sich Bose-Einstein Kondensate aus 100.000 Rb-87 Atomen mit einer Repetitionsrate von 1 Hz und einer internen kinetischen Energie von 2 nK erzeugen. Eine kollektive Größenoszillation wird mit einer magnetischen Linse kombiniert um ein Materiewellenlinsensystem zu formen. Die Messkampagnen im Fallturm wurden von Simulationen begleitet, um quantitative Aussagen zu den Expansionseigenschaften und der Detektierbarkeit des Ensembles zu treffen. Es konnte gezeigt werden, dass sich die interne kinetische Energie eines Bose-Einstein Kondensates mithilfe des Materiewellenlinsensystems auf 38 pK reduzieren lässt. Ein derart manipuliertes atomares Ensemble konnte noch nach einer Freifallzeit von 2 s detektiert werden. Durch Extrapolation der Simulationsergebnisse konnte abgeschätzt werden, dass die Detektierbarkeit für bis zu 17 s gegeben wäre. Dies stellt einen herausragenden Eingangszustand fur künftige, vor allem weltraumgestützte Quantensensoren dar.

Quantum-sensors based on matter-wave interferometrie can be used for measuring a multitude of different physical properties. The application ranges from the precise determination of fundamental natural constants to the measurement of inertial forces such as acceleration and rotation. This can be used to implement e. g. quantum-based inertial sensors for navigation tasks, gravimeters or gradiometers. For this, ultracold or condensed atomic ensembles are necessary, since the sensitivity of the matter-wave interferometer scales with the duration of the interferometer. In the context of this work, it was investigated to what extent the expansion properties of a quantum gas can be manipulated in order to ensure detectability even after free-fall times of several seconds. For this purpose, a compact and robust source of quantum degenerate gases in the microgravity environment of the Bremen drop tower was used [1–4]. It can be used to generate Bose-Einstein condensates of 100 000 87Rb atoms with a repetition rate of 1 Hz and an internal kinetic energy of 2 nK [4, 5]. A collective-mode excitation is combined with a magnetic lens to form a time-domain matter-wave lens system. The measurements in the drop tower were accompanied by simulations in order to make quantitative statements about the expansion properties and the ensembles detectability. It was shown that the internal kinetic energy of a Bose- Einstein condensate could be reduced to 38 pK using the matter-wave lens-system. An atomic ensemble manipulated in this way could still be detected after a free fall time of 2 s. By extrapolating the results of the simulations, it could be estimated that the detectability would be given for up to 17 s. This represents an outstanding initial state for future, especially space-based quantum sensors as proposed in STE-QUEST [6] or currently realized in BECCAL