Quantenoptik an Oberflächen - Untersuchung von Atom/Oberflächen-Wechselwirkungen durch Reflektion von Bose-Einstein Kondensaten an Materiewellen-Spiegeln

Abstract

Das in dieser Arbeit vorgestellte Experiment befasst sich mit ultrakalten Rubidiumatomen beziehungsweise Bose-Einstein Kondensaten im Abstandsbereich unterhalb eines Mikrometers zu einer superpolierten Oberfläche. Bei diesen Abständen dominiert das Casimir-Polder Potential, das einen rein quantenelektrodynamischen Effekt darstellt. Um atomare Ensembles trotz dieses stark anziehenden Potentials an der Oberfläche kontrollieren zu können, bedienen wir uns sogenannter evaneszenter Dipolpotentiale: Durch interne Totalreflektion eines rotverstimmten Laserstrahls an der Oberfläche entsteht ein steil abfallendes, repulsives Potential. Dessen Überlagerung mit dem CP-Potential ergibt eine Potentialbarriere im Abstand weniger hundert Nanometer zur Oberfläche. Die genaue Messung der Eigenschaften dieser Barriere erlaubte erstmals die direkte Bestimmung des CP-Potentials im sogenannten Übergangs-Abstandsregime, innerhalb dem die gängigen analytischen Potenzgesetze zur Beschreibung des Potentials versagen. Die Verwendung von goldbeschichteten Oberflächen erlaubt gegenüber rein dielektrischen Oberflächen die Erzeugung deutlich höherer Potentialbarrieren. Im Metall lassen sich sogenannte Oberflächen-Plasmonen anregen. Deren evaneszentes Lichtfeld kann dasjenige an dielektrischen Oberflächen um mehrere Größenordnungen übertreffen. In diesem Experiment konnte erstmals eine plasmonische Resonanz durch ihre Wirkung auf ultrakalte Atome vermessen werden. Durch die räumliche Strukturierung eines Goldfilms auf einer Saphiroberfläche lassen sich sehr vielseitige, zweidimensionale Potentiallandschaften erzeugen. Deren räumliche Struktur kann bei einer Reflektion an der Oberfläche auf ein Bose-Einstein Kondensat übertragen werden. Die Struktur wirkt dann wie ein Hologramm für Materiewellen. Die gebeugte Wellenfunktion wird nach einer kurzen, freien Expansionszeit durch Absorptionsabbildung nachgewiesen. In diesem Experiment konnte die Beugung einer Materiewelle an einem Rechteckgitter mit einer Gitterkonstanten von 1 Mikrometer demonstriert werden. Beobachtet wurden diskrete Impulsklassen, die ganzzahligen Vielfachen des reziproken Gittervektors entsprechen. Die Ergebnisse lassen sich anhand einer Fourieranalyse der reflektierten Wellenfunktion verstehen.

The Experiment described in this thesis deals with ultra cold Rubidium Atoms respectively Bose-Einstein Condensates (BEC) at a distance below one micrometer to a superpolished surface. At these small distances the Casimir-Polder potential , which is an effect of quantum electrodynamics plays a dominant role. To control the atoms despite this strong attractive force, we make use of so called evanescent dipole potentials. By internal total reflection of a laser beam at the surface a steeply decreasing repulsive potential is created. By superimposing the two potentials a energy barrier is created at a distance of a few hundred nanometers to the surface. Precise measurement of the properties of this barrier allowed for the first time the direct deduction of the Casimir-Polder potential in the distance regime between 150 nm and 230 nm. The use of gold layered structures allows to create much higher barriers than above a pure dielectric surface because in the metal so called surface plasmons can be excited. Our experiment was the first one to measure a plasmonic resonance by it’s effect on ultra cold atoms. By spatially structuring the gold layer, versatile two dimensional potential landscapes may be tailored. The spatial structure can be transferred to a BEC which is reflected at the surface. The structure then acts as a hologram for matter waves. After a short time of ballistic expansion the density distribution of the diffracted BEC is detected via absorption imaging. This experiment shows the diffraction of a BEC at a lattice with a lattice constant of 1 µm. We observed a discrete momentum distribution corresponding to multiples of the reciprocal lattice vector. Quantitatively the results are analyzed using a fourier transform of the reflected wave function.