Ein bildgebendes Verfahren zur Messung lokalisierter Magnetfeldfluktuationen

Abstract

Das in dieser Dissertation vorgestellte bildgebende Verfahren zur Messung lokalisierter Magnetfeldfluktuationen kombiniert zwei gut verstandene Verfahren auf dem Gebiet der Physik ultrakalter Atome auf eine völlig neue Weise. Die Präparation ultrakalter Atomwolken an einem Atomchip gibt dem Experimentator eine präzise Kontrolle über deren Position in allen Raumrichtungen, während ein Einzelatomdetektionsmechanismus Spinflips in der Atomwolke auf Grund von Magnetfeldfluktuationen dynamisch und in Echtzeit zustandsselektiv nachweisen kann. Die Messsonde des bildgebenden Verfahrens ist eine ultrakalte Atomwolke, welche über den zu messenden Bereich bewegt wird, wobei in Echtzeit die Statistik der Atome gemessen wird, welche in Folge von Spinflips die Wolke verlassen haben. Das Verfahren kann insbesondere für die Vermessung von stromtragenden Nanoresonatoren zur Realisierung eines Quantengalvanometers eingesetzt werden [1]. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf einer gründlichen Kalibration des bildgebenden Verfahrens, wofür zahlreiche Methoden entwickelt wurden. Als erste Anwendung wird der Nachweis lokalisierter Spinflips nahe mikrostrukturierter metallischer Oberflächen demonstriert, welcher mit bisher gezeigten, weniger sensitiven Verfahren [2] nicht nachweisbar wäre. Im Vergleich mit den vielfältigen technologischen Ansätzen zur Realisierung hochsensitiver und hochauflösender Magnetometer – wie z.B. den bereits zu medizinischen Zwecken bei der Magnetoenzephalographie eingesetzten SQUIDs – zeigt sich, dass das in dieser Arbeit demonstrierte Magnetometer sich mit einer Ortsauflösung von 3µm entlang relevanter Dimensionen und einer Sensitivität von 18pT/√Hz in die Reihe der Technologien einreiht, deren Verhältnis von Sensitivität und Auflösungsvermögen sich entlang einer bisher unüberwundenen Technologiegrenze [3] bewegt.

[1] O. Kálmán, T. Kiss, J. Fortágh, and P. Domokos, Nano Lett. 2012, 12, 1, 435–439 (2011). [2] Y. Lin, I. Teper, C. Chin, V. Vuletić, Phys. Rev. Lett. 92, 050404 (2004). [3] M. W. Mitchell, S. Palacios Alvarez, Rev. Mod. Phys. 92, 021001 (2020).