Atomic spin coherence in superconducting microtraps

Abstract

This thesis describes measurements of the spin coherence of an atomic cloud near the surface of a superconducting niobium wire. The central result demonstrates that superconducting microtraps surpass a fundamental limitation associated with normally conducting magnetic microtraps.

For normal conductors, it is known that the magnetic trap loss rate increases strongly in the vicinity of the surface as a result of Johnson noise: thermally driven electrical current fluctuations within the metal. Atomic losses result from a loss of spin coherence within the cloud due to magnetic near field noise. In contrast, near a superconductor, the atomic spin coherence is maintained for time periods exceeding the Johnson noise limit of normal conductors. This provides the first experimental evidence that magnetic near field noise is strongly suppressed close to the superconductor, and opens the way toward the development of coherently coupled cold atom/solid state hybrid quantum systems with potential applications in quantum information processing and precision force sensing.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Messung der Spinkohärenz einer atomaren Wolke nah der Oberfläche eines supraleitenden Niobdrahts. Das Ergebnis dieser Messung zeigt, dass supraleitende Mikrofallen von einer grundlegenden Beschränkung, die für normalleitende magnetische Fallen gilt, nicht beeinträchtigt werden.

Es ist bekannt, dass bei Normalleitern aufgrund des Johnson-Rauschens – thermisch angeregtem elektrischen Stromrauschen – magnetische Fallenverluste in der Nähe der Oberfläche stark zunehmen. Der Verlust der Atome folgt aus der Abnahme der Spinkohärenz in der Wolke durch die Kopplung der atomaren Spins an magnetische Nahfeldfluktuationen. Im Gegensatz dazu bleibt die Spinkohärenz in der Nähe von Supraleitern auf Zeitskalen erhalten, die länger sind als die durch Johnson-Rauschen bedingte Obergrenze bei Normalleitern. Dies liefert den ersten experimentellen Beweis, dass magnetisches Nahfeldrauschen in der Nähe von Supraleitern stark unterdrückt ist. Diese Messungen ebnen den Weg für die Entwicklung kohärent gekoppelter, hybrider Quantensysteme aus kalten Atomen und Festkörpern mit möglichen Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung und hochpräzisen Kraftmessungen.