Pump asymmetry compensation in an atom-optomechanical hybrid system

Abstract

Die Untersuchung hybrider Systeme aus ultrakalten Atomen und mikromechanischen Oszillatoren ermöglicht es, die mechanische Bewegung zu detektieren, zu kühlen und auf dem Quantenniveau zu kontrollieren. Damit fördert diese das Verständnis des Übergangs vom klassischen zum Quantenverhalten und zeigt mögliche Anwendungen in der Hochpräzisionsmetrologie und Einzelquanten-Signalweitergabe auf. Im Rahmen dieser Arbeit werden Experimente vorgestellt, in denen die Vibrationsbewegung eines Trampolinoszillators innerhalb eines optischen Resonators an die Bewegung von lasergekühlten 87Rb Atomen gekoppelt wird. Die Wechselwirkung wird dabei durch ein kohärentes Lichtfeld vermittelt, das durch Reflexion am mechanischen Element ein 1D optisches Gitter am Ort der Atome bildet. Eine besondere Eigenschaft solcher Systeme ist die aus der Reflexion resultierende Pumpasymmetrie des Gitters. Diese kann für hohe atomare Dichten in einem attraktiven Gitterpotential zur Instabilität des hybriden Systems führen und die Kopplung beeinträchtigen. Diese Arbeit geht den Fragestellungen nach wie eine Kompensation der Asymmetrie des Gitters möglich ist sowie ob dies den Eintritt der Instabilität verhindert und dadurch zu einer stärkeren Kopplung führt. Dazu wird zunächst in einer numerischen Simulation des Systems die Ursache für die Instabilität identifiziert und die Möglichkeit ihrer Unterdrückung durch Zuhilfenahme eines zusätzlichen Gitterstrahls untersucht. Anschließend werden Kopplungs-Experimente in attraktiven und repulsiven Gitterpotentialen bei unterschiedlichen Pumpasymmetrien vorgestellt. Die Kopplungsstärke wird anhand des sympathetischen Kühlprozesses bewertet und mit dem Verhalten in unserem unkompensierten repulsiven Gitter verglichen. Wir beobachten eine Unterdrückung der hybriden Instabilität, was uns erstmalig ermöglicht Kopplungs-Experimente in einem attraktiven Gitterpotential mit hohen Atomdichten zu realisieren. Allerdings können wir keine Verbesserung der Kopplungstärke gegenüber dem asymmetrischen Gitter feststellen. Dies macht sich in der minimal gemessenen Modentemperatur T_PAC = (2.91 ± 0.66) K mit Pumpasymmetrie-Kompensation gegenüber T_noPAC = (1.50 ± 0.34) K ohne Kompensation bemerkbar, wobei der Resonator sich vor der Kopplung bei Raumtemperatur befindet. Eine weitere Untersuchung, die im Rahmen dieser Arbeit stattgefunden hat, ist die konditionale Zustandspräparation und Tomographie des mechanischen Oszillators mit kurzen Lichtpulsen. Die gepulste Interaktion spielt sich dabei auf Zeitskalen unterhalb der mechanischen Schwingungsperiode ab und ermöglicht Positionsmessungen des Oszillators mit einer Präzision unterhalb des Standard-Quantenlimits. Dabei ist es möglich, gequetschte Zustände der mechanischen Bewegung zu erzeugen und diese mittels tomographischer Methoden abzubilden. Wir haben erste gepulste Messungen in unserem System durchgeführt und konnten den Bewegungszustand des Oszillators mit einer minimalen Breite von σ_cond = (137±4) fm auflösen, was der 32-fachen Grundzustandsbreite des Oszillators entspricht.

The investigation of hybrid systems consisting of ultracold atoms and micro-mechanical resonators provides access to detection, cooling and quantum control of mechanical motion, which promotes the understanding of the classical to quantum transition and has potential applications in high-precision metrology and quantum-level signal transduction. In this thesis experiments that couple the vibrational motion of a trampoline resonator inside an optical cavity to the motion of laser cooled 87Rb atoms are presented. The interaction is mediated by a coherent light field that is reflected from the mechanical element and forms a 1D optical lattice at the site of the atoms. An inherent property of such systems is the pump asymmetry in the lattice that arises from this reflection, which can lead to an instability of the hybrid system and deteriorate the coupling for large atomic densities in an attractive lattice potential. This thesis investigates how the asymmetry in the lattice can be compensated, whether the compensation prevents the occurrence of the instability and if that leads to an increase of the coupling strength. First, a numerical simulation of the system is used to identify the reason for the instability and study the possibility to suppress it by utilizing an additional lattice beam. Subsequently, coupling experiments in attractive and repulsive lattice potentials for different pump asymmetries are presented. The coupling strength is evaluated by means of the sympathetic cooling process and is compared to the performance of our uncompensated repulsive lattice. We observe a suppression of the hybrid instability, which enables coupling experiments in the attractive lattice potential at high atomic densities for the first time. However, we do not witness an improvement of the coupling strength over the asymmetric lattice. This can be seen from the minimal measured mode temperatures T_PAC = (2.91 ± 0.66) K with pump asymmetry compensation compared to T_noPAC = (1.50 ± 0.34) K without compensation, where the resonator is initially at room temperature. Another investigation that was conducted over the course of this thesis is the preparation and tomography of conditional mechanical states using short light pulses. The pulsed interaction takes place on time scales much shorter than the mechanical oscillation period and allows for position measurements with a precision that can surpass the standard quantum limit. The scheme enables the production of squeezed states of mechanical motion and their reconstruction by means of tomography. We performed first pulsed experiments in our system and were able to resolve a width of the mechanical motional state of σ_cond = (137 ± 4) fm, which corresponds to the 32-fold width of the ground state of our resonator.