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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-74225
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7422/


Building and characterisation of a dual species quantum simulator

Aufbau und Charakterisierung eines Quantensimulators für zwei Spezies

Meyer, Nadine

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Freie Schlagwörter (Englisch): quantum simulator , Bose-Einstein condensate , magnetic transport , dual species laser system , compact coil design
Basisklassifikation: 33.18 , 33.30
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Sengstock, Klaus (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.02.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 04.08.2015
Kurzfassung auf Deutsch: Die Komplexität vieler interessanter physikalischen Systeme macht es nahezu unmöglich diese auf herkömmlichen Computern zu simulieren. Feynmans Idee eines Quantensimulators für komplexe Systeme von 1982 bietet die Möglichkeit komplexe Phänomene ausserhalb der Reichweite eines normalen Computers mithilfe von massgeschneiderten Hamiltonians zu studieren. Die Welt der ultrakalten Atome bietet dafür mit unerreicht sauberen Quantengassystemen und flexiblen aber hoch präzise kontrollierbaren Parametern hervorragende Eigenschaften. Ultrakalte Quantengase sind daher ein perfektes Werkzeug für die Realisierung von Quantensimulatoren und der Untersuchung von Phasenraumdiagrammen von Modellsystemen. Diese Arbeit stellt ein neues Experiment für Bose-Fermi-Mischungen im Hinblick auf Quantensimulationen in optischen Gittern und willkürlichen Lichtpotentialen mit hoher optischer Auflösung für Detektion und Manipulation vor. Der Aufbau einschliesslich neuer Technologieentwicklungen wurde auf hohe Wartungsfreiheit und Robustheit optimimiert. Beide Quantenstatistiken und verschiedene Wechselwirkungsregime werden mit Hilfe von Feshbachresonanzen untersucht werden können. Alle Entscheidungen bezüglich des Designs und des Aufbaus wurden hinsichtlich der Umsetzung von optischen Gittern und eines hochauflösenden Abbildungssystems getroffen. Das magneto-optische Fangen von Bose-Fermi-Mischungen mit 87Rb und 40K und die Bose-Einstein Kondensation (BEC) von 87Rb wurde erstmals in dieser Arbeitsgruppe verwirklicht. Das Laserkühlen mit divergenten Strahlen wurde dabei erfolgreich demonstriert. Im Rahmen neuer Technologieentwicklungen wurde ein robustes, flexibles, miniaturisiertes Lasersystem für zwei unterschiedliche Spezies zur Laserkühlung designt, aufgebaut und getestet. Ein neues kompaktes Spulendesign mit hohem optischen Zugang und geringer Verlustleistung wurde entwickelt und für die Realisierung des BECs verwendet. Dabei ist einer der Magnetspulensätze für homogene Magnetfelder für die Anwendung von Feshbachresonanzen optimiert worden. Desweiteren wurde eine vielseitige Vakuumversiegelungstechnik mit Indium realisiert. All diese Technologieentwicklungen zielen auf einen kompakten und robusten Aufbau mit hoher Flexibilität ab. Die Atome werden zunächst in einem 2D-3D MOT Komplex eingefangen und lasergekühlt. Danach werden die Atome magnetisch gefangen und mithilfe beweglicher Spulen zur Science chamber transportiert. RF Evaporation in der magnetischen Quadrupolfalle kühlt das Ensemble soweit herunter, dass die Atomwolke in eine optische Dipolfalle geladen werden kann in welcher weitere Evaporation zur Bose-Einstein Kondensation von 87Rb führt. Der Aufbau hat somit das Regime der Quantengase erreicht, eine notwendige Vorraussetzung für Quantensimulationen mit ultrakalten Atomen.
Kurzfassung auf Englisch: Many interesting physical systems have one thing in common. Their complexity makes it impossible to simulate them on conventional computers. Feynman's idea of a quantum simulator for complex systems from 1982 gives the possibility to study complex phenomena out of the reach of normal computers with tailored Hamiltonians. The world of ultra cold atoms offers a wide range of tunable parameters combined with a degree of control in unprecedented clean systems. Ultra cold quantum gases are the ideal tool for the realisation of quantum simulators and the study of phase diagrams of model systems. This thesis presents a new setup for Bose-Fermi mixtures experiments with regard to quantum simulations in optical lattices and arbitrary light potentials with a high resolution for detection and atom manipulation. The setup was designed to be a low maintenance, robust tool box for quantum simulations incorporating new technology developments. Both fundamental quantum statistics can be observed and different interaction regimes can be investigated with the help of Feshbach resonances. From the beginning all decisions concerning the setup design take the implementation of optical lattices and a high resolution imaging system into account.
The magneto-optical trapping of Bose-Fermi mixtures with 87Rb and 40K and the Bose-Einstein condensation (BEC) of 87Rb had been achieved. Another aim in the context of this thesis was the development and testing of new versatile technologies. A robust, flexible, miniaturised dual species laser system for laser cooling had been setup and tested. A new narrow coil design allowing for high magnetic fields with great optical access at a low power dissipation had been developed and used for the realisation of the BEC. One of the magnetic coil sets had been optimised for homogeneous magnetic fields for the application of Feshbach resonances. Furthermore an indium sealing technique for vacuum chambers had been realised. All these technology developments aimed for a compact and robust setup with high flexibility. For the procedure the atomic sample was first laser cooled and trapped in a combined 2D-3D MOT complex before the atoms are magnetically trapped and transported with a linear rail over a macroscopic distance to the science chamber. In the science chamber the atoms were transferred to a different magnetic trap where forced RF evaporation cooled the atomic cloud further down. Loading the atomic cloud into an optical dipole trap and further evaporation lead to the Bose-Einstein condensate of 87Rb. Hence, the setup reached the quantum regime necessary for quantum simulation for further studies.

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