Aufbau und Entwicklung von Experimenten an Supraleiter-Atom-Hybridsystemen

Abstract

Die Kombination von supraleitenden Bauelementen und ultrakalten Atomwolken stellt ein vielversprechendes Konzept für die Realisierung eines Hybridsystems zur Quanteninformationsverarbeitung dar. Dabei wird ausgenutzt, dass supraleitende Bauelemente gut kontrolliert und somit Quantenzustände leicht manipuliert werden können, während Quantenzustände in ultrakalten Atomwolken vergleichsweise lang erhalten bleiben können. Die Realisierung solcher Hybridsysteme stellt eine technologische Herausforderung dar. Gleichzeitig können jedoch bereits bei ihrer Entwicklung verschiedene grundlegende Effekte untersucht werden. In dieser Arbeit wird der Aufbau eines Mischkryostaten für Experimente bei mK-Temperaturen an solchen Systemen vorgestellt. Dieser wird charakterisiert und optimiert, umdas Fangen von ultrakalten Atomwolken in einer supraleitenden Magnetfalle zu ermöglichen. Aufgrund der starken Modifikationen im Vergleich zu konventionellen Systemen müssen dazu neue Methoden entwickelt werden. Weiter werden Experimente an Atomchips mit supraleitenden Strukturen vorbereitet. Als erster Schritt auf dem Weg zur Kopplung an eine supraleitende Resonatorstruktur werden entsprechende Strukturen entwickelt. Durch numerische Simulationen wird untersucht, wie die ultrakalte Atomwolke an diese Strukturen gebracht werden kann. Die Ergebnisse der numerischen Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den durch die Team-Kollegen experimentell gemessenen Fallenpositionen. In diesen experimentellen Messungen konnte u. a. die Kohärenz-Zeit der Atomwolke an verschiedenen Positionen nahe der Resonatorstruktur bestimmt werden. Außerdem wird in numerischen Simulationen nachgewiesen, wie die Fluxoidquantisierung in einem supraleitenden Ring durch Messungen an ultrakalten Atomen beobachtet werden kann. Erste Messungen der Team-Kollegen bestätigen die Vorhersagen. Damit ist in diesem komplexen System ein fundamentaler Effekt der Supraleitung nachweisbar.

The combination of superconducting devices and ultracold atoms is a promising concept for the realization of a hybrid system for quantum information processing. Superconducting devices can be controlled very precisely which makes them favorable for the manipulation of quantum states while such states can be stored in ultracold atoms over comparably long timescales. The realization of such hybrid systems is a very challenging task. However, during the development process, various fundamental effects can be studied. In this thesis, a new experimental setup is described. This setup consists of a dilution refrigerator for hybrid system experiments at mK-temperatures. The system has been characterized and optimized to allow for the trapping of ultracold atom clouds in a superconducting magnetic trap. Because of the severe modifications of the system compared to a standard setup, new methods have to be developed to achieve this. Furthermore, experiments on atom chips with superconducting structures have been investigated. As a first step towards the coupling to a superconducting resonator structure, suitable structures have been developed. In numerical simulations, the loading and positioning of the atom cloud at this structure has been investigated. The results of the numerical simulation are in good agreement with the trap positions that have been determined experimentally by the team-colleagues. In these experimental measurements, the coherence time of the atom cloud has been determined at several positions above the resonator structure. In this thesis, the influence of the fluxoid quantization in a superconducting ring on an ultracold atom cloud has been investigated using numerical simulations. First measurements of the team-colleagues confirm the predicted effects. This allows the detection of a fundamental effect of superconductivity in a complex hybrid system.