Materiewellenoptik mit Bose-Einstein-Kondensaten auf Mikrochips

Abstract

Thema dieser Dissertation ist die Beugung und Interferenz von Bose-Einstein-Kondensaten an einem magnetischen Gitterpotential. Das 4 Mikrometer periodische Potential wird durch eine Anordnung paralleler, stromdurchflossener Goldleiterbahnen realisiert, welche mittels lithographischer Prozesse auf der Oberfläche eines Silizium-Chips implementiert wurden. Bringt man Bose-Einstein-Kondensate für kurze Zeit in den Wechselwirkungsbereich dieses Gitterpotentials, so lassen sich Beugungseffekte beobachten, die durch das Auftreten von charakteristischen Beugungsordnungen gekennzeichnet sind. Die experimentellen Daten können durch ein einfaches Modell beschrieben werden, welches die Beugung als Aufprägung einer periodischen Phasenmodulation auf die Kondensatswellenfunktion beschreibt. Numerische Simulationen an einem Supercomputer in England bestätigen diese Theorie. Da der Beugungsprozess nicht zu einer vollständigen Separation der einzelnen Beugungsordnungen führt, lässt sich die Interferenz zwischen benachbarten Beugungsordnungen beobachten und somit ein Interferometer auf dem Chip realisieren. Die Analyse der Interferenzmuster gibt Aufschluss über die relative Phasenbeziehung zwischen benachbarten Beugungsordnungen. Identische Wiederholungen des Experiments zeigen eine reproduzierbare Phaseninformation und belegen somit die Phasenkohärenz der Teilung des Kondensates am Gitter. Durch die in dieser Arbeit realisierten Beugungsexperimente gelang somit erstmals die phasenkohärente Manipulation eines Bose-Einstein-Kondensates durch ein mikrostrukturiertes magnetisches Gitter.

The topic of this thesis is the diffraction and interference of Bose-Einstein condensates from a magnetic lattice potential. The 4 micrometer periodic potential is generated by a parallel set of current carrying gold wires which are lithographically patterned on the surface of a silicon chip. By bringing condensates into the interaction region of this lattice potential for a short time, diffraction effects can be observed indicated by the appearance of characteristic diffraction orders. The experimental data can be understood by a simple model, describing the diffraction process as an imprint of a periodic phase pattern onto the condensate wave function. Numerical simulations at a supercomputer in England verify this theory. As the diffraction process does not cause a complete separation of the different diffraction orders, interference between neighbouring orders can be observed, and an interferometer can be realised. Analyzing the interference pattern reveals the relative phase relation between neighbouring diffraction orders. Identical repetitions of the experiment show reproducible phase information and prove the phase coherence of the condensate splitting process at the lattice. The realized experiments show for the first time the phase coherent manipulation of a Bose-Einstein condensate by an integrated magnetic grating.