Quantenratschen für neutrale Atome

• Applicant: Professor Dr. Martin Weitz
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2005 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5451982

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Eine Ratsche ist ein physikalisches System, das in der Lage ist, Teilchen in eine bestimmte Richtung zu transportieren, ohne dabei effektive Felder oder Gradienten zu verwenden. Mit Ratschen können beispielsweise Wärmepumpen betrieben werden, die Teilchen unterschiedlicher Temperatur voneinander trennen. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde erstmalig ein gerichteter Transport eines atomaren Bose-Einstein-Kondensats in einer Hamilton’schen, also während der Wechselwirkungszeit reibungsfreien, Quantenratsche erzeugt und dessen Eigenschaften untersucht. Zu Beginn des Vorhabens wurden Voruntersuchungen durchgeführt, um ein sägezahnförmiges optisches Gitterpotential mit dem Verfahren der Fourier-Synthese durch Überlagerung eines Stehwellengitters der Periode λ/2 mit einem dazu phasenstabilen Gitter der Periode λ/4 zu realisieren, wobei beide Gitterharmonischen mit derselben Lichtquelle erzeugt werden. Die höhere Harmonische wird mithilfe von Doppler-sensitiven Multiphotonen-Raman-Übergängen realisiert, wobei mit diesem Verfahren allgemein eine räumliche Periodizität von λ/2N, mit N als einer natürlichen Zahl, erreicht werden kann. Es gelang der experimentelle Nachweis von Multiphotonen- Gitter der Perioden λ/4 und λ/6 sowie der von asymmetrisch geformten Gitterpotentialen. Im nächsten Schritt wurde das Energiespektrum eines bichromatischen optischen Gitterpotentials untersucht, wobei interessanterweise die Energieaufspaltung zwischen dem ersten und zweiten angeregten Bloch-Band von der relativen Phasenverschiebung der einzelnen Gitterharmonischen abhängt. Schließlich wurde ein gerichteter Atomtransport eines Bose-Einstein-Kondensats in einem amplitudenmodulierten Ratschenpotential erzeugt und dessen Eigenschaften untersucht. Die im Rahmen des Vorhabens gelungene Realisierung einer Hamilton’schen Quantenratsche kann als die Verwirklichung eines Quantenmotors beschrieben werden, der ungerichtete Bewegung auf kohärente Art und Weise in gerichteten atomaren Transport umwandelt. Das Experiment stellt einen Meilenstein auf dem Weg zu kleinen Quantenmaschinen dar, die reibungsfrei mechanische Arbeit gegen äußere Kräfte leisten.

Publications

• "Fourier Synthesis of Conservative Atom Potentials". Phys. Rev. A 74, 063622 (2006)
  G. Ritt, C. Geckeler, T. Salger, G. Cennini und M. Weitz
  
• "Atomic Landau-Zener tunneling in Fourier-synthesized optical lattices". Phys. Rev. Lett. 99, 190405 (2007)
  T. Salger, C. Geckeler, S. Kling und M. Weitz
  
• "Bloch oscillations of atoms in an optical multiphoton potential“. Phys. Rev. A 79, 011605(R) (2009)
  T. Salger, G. Ritt, C. Geckeler, S. Kling und M. Weitz
  
• "Directed Transport of Atoms in a Hamiltonian Quantum Ratchet". Science 326, 1241 (2009)
  T. Salger, S. Kling, T. Hecking, C. Geckeler, L. Morales-Molina und M. Weitz
  
• "Atomic Bloch-Zener Oscillations and Stückelberg Interferometry in Optical Lattices". Phys. Rev. Lett. 105, 215301, (2010)
  S. Kling, T. Salger, C. Grossert und M. Weitz
  
• "Quantenratsche für ultrakalte Atome". Phys. Unserer Zeit 41, 110 (2010)
  T. Salger und M. Weitz