KIP-Veröffentlichungen

 
Jahr 2014
Autor(en) Ion Stroescu
Titel Dissipative Double-Well Potential: Mesoscopic Atom Number Detection and Cold Atom Dynamics
KIP-Nummer HD-KIP 14-104
KIP-Gruppe(n) F17,F20
Dokumentart Dissertation
Abstract (de)

Die Fähigkeit kalte Atome zu manipulieren wurde über die vergangenen drei Jahrzehnte immer wieder verbessert, in dem Bestreben die beste Kontrolle und die beste Detektion dieser Teilchen zu erreichen. Atom-Licht-Wechselwirkung erwies sich als fundamental für das Kühlen und Fangen von neutralen Atomen und verschiedene Detektionstechniken wurden entwickelt, inklusive Absorptions- und Fluoreszenzbildgebung. Hier präsentieren wir eine Detektionstechnik, die auf Fluoreszenzbildgebung basiert und in der Lage ist das ultimative Limit der Einzelatomauflösung für mesoskopische Proben mit bis zu 1200 Teilchen zu erreichen. Um die Detektion sensitiv auf mehrere Hyperfeinzustände des atomaren Systems zu machen, entwickelten wir eine neuartige Hybridfalle in Form eines dissipativen Doppelmuldenpotentials. Dies erlaubt die genaue Bestimmung der Differenz der Hyperfeinzustandspopulation für Proben mit bis zu 500 Teilchen. Des Weiteren ist es mit diesem einzigartigen System möglich, durch das Variieren der Höhe der Potentialbarriere zwischen den zwei Minima des Doppeltopfs, Hüpfraten über fünf Größenordnungen zu messen. Wir bestätigen das Arrhenius-Gesetz für kleine Barrieren und stellen fest, dass Teilchenaustausch induziert durch lichtunterstützte Kollisionen die Dynamik bei hohen Barrieren dominieren. Schlieߟlich beobachten wir den Effekt der stochastischen Resonanz, bei der ein schwaches externes Treiben des Doppeltopfsystems durch zusätzliches thermisches Rauschen verstärkt wird. Präzise Messungen ermöglichen die Bestimmung sowohl der Amplitude als auch der Phasenverzögerung der linearen Systemantwort und wir sehen Indikationen einer nicht-linearen Antwort sowie Effekte von Bewegung innerhalb einer Senke.

Abstract (en)

 

The ability to manipulate cold atoms has been constantly improved over the past three decades in an endeavour to achieve the best control and the best detection of these particles. Atom-light interaction has proven fundamental for the cooling and trapping of neutral atoms and several detection techniques have been developed, including absorption and fluorescence imaging. Here we present a detection technique based on fluorescence imaging, which is able to reach the ultimate limit of single-atom resolution for mesoscopic samples of up to 1200 particles. In order to render the detection sensitive to multiple hyperfine states of the atomic system, we developed a novel hybrid trap in form of a dissipative double-well potential. This allows the accurate determination of the difference in the hyperfine state population for samples with up to 500 particles. Furthermore, by varying the potential barrier height between the two sites of the double-well, with this unique system it is possible to measure hopping rates over five orders of magnitude. We confirm Arrhenius' law for small barriers and find that particle exchange induced by light-assisted collisions dominates the dynamics for large barriers. Finally, we observe the stochastic resonance effect, in which a~weak external driving of the double-well system is amplified by the addition of thermal noise. Accurate measurements enable the extraction of both amplitude and phase lag of the linear system response and we see indications of a non-linear response as well as effects of intra-well motion.

bibtex
@phdthesis{dissstroescu,
  author   = {Ion Stroescu},
  title    = {Dissipative Double-Well Potential: Mesoscopic Atom Number Detection and Cold Atom Dynamics},
  school   = {Universit\"at Heidelberg},
  year     = {2014}
}
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