A controlled quantum system of individual neutral atoms

Abstract

This thesis presents novel techniques to realize controllable quantum systems of neutral atoms. Besides the preparation of the exact number of atoms, we manipulate all physical degrees of freedom of the trapped particles. <br /> The first part (Chapters 2, 3) reports on a deterministic source of single atoms, which overcomes the limitations imposed by statistical arrival in conventional sources. Single cold cesium atoms prepared in a magneto-optical trap are transferred into a standing wave optical dipole trap, made of two counter-propagating red-detuned Nd:YAG laser beams. Mutual detuning of the laser beam frequencies moves the standing wave pattern, allowing us to accelerate and stop an atom at preselected points along the standing wave. This "optical conveyor belt" can transport one atom over a maximum distance of 10~mm. <br /> The second part (Chapters 4, 5) reports on the investigation of the coherence times of the Cs hyperfine ground states using microwave transitions. Using Ramsey spectroscopy techniques we measured coherence times of up to 100 ms. The limiting dephasing effects are experimentally identified and are of technical rather than fundamental nature. We present an analytical model of the reversible and irreversible dephasing mechanisms. Finally, we prove that controlled transport by the optical conveyor belt over macroscopic distances preserves the atomic coherence with slight reduction of coherence time.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Realisierung von kontrollierten Quantensystemen aus einzelnen neutralen Atomen. Neben der exakten Kontrolle der Anzahl der Atome können wir alle physikalischen Freiheitsgrade der gespeicherten Atome gezielt manipulieren.<br /> Der erste Teil (Kapitel 2, 3) berichtet über eine neuartige deterministische Quelle kalter Atome, die die Limitierung statistisch verteilter Ankunftszeiten bei konventionellen Atomquellen überwindet. Einzelne kalte Cäsiumatome werden von einer magneto-optischen Falle in eine optische Stehwellen-Dipolfalle, die von zwei entgegengerichteten Nd:YAG Laserstrahlen erzeugt wird, transferiert. Durch eine relative Verstimmung der beiden Laserfrequenzen kann die Stehwellenstruktur bewegt werden und auf diese Weise die Atome entlang der Strahlachse transportieren. Dieses "optische Förderband" ermöglicht den Transport eines einzelnen Atoms über eine Entfernung von 10 mm.<br /> Im zweiten Teil (Kapitel 4, 5) werden die Kohärenzzeiten der Hyperfein-Grundzustände der gespeicherten Cäsiumatome untersucht. Mit Hilfe der Ramsey-Spektroskopie wurden Kohärenzzeiten von mehr als 100 ms gemessen. Die limitierenden Dephasierungseffekte konnten experimentell identifiziert werden und sind rein technischer Natur. Ein analytisches Modell beschreibt die reversiblen und irreversiblen Dephasierungseffekte. Schließlich wird gezeigt, dass ein Transport der Atome mit dem optischen Förderband die Kohärenzen erhält, wobei die Kohärenzzeit nur leicht reduziert wird.