Guided matter-wave interferometry

Abstract

Coherent guiding and manipulation of matter-waves is of utmost importance in the development of practical atomtronic sensors and devices. In this thesis, I present excitationless guiding of Bose-Einstein condensates (BECs) at hypersonic speeds in magnetic time-averaged adiabatic potential (TAAP) rings traps and waveguides. For the first time, matter-waves are transported for a record distance of 40 cm at hypersonic speeds without detecting any extra excitation when compared to the static case. To realize a rotation sensor utilizing the clock transition of Rubidium 87 (87Rb), I present trapping and manipulation of the spin states of 87Rb, in two arms of a ring trap. The extreme smoothness of TAAP rings is demonstrated via the propagation of BECs in the ring waveguide, measured smoothness is below 200 pK. In a different interferometer configuration, using optical beam splitters and guided matter-waves in a horizontal ring waveguide, I implemented delta-kick cooling technique to achieve compact atomic wave-packet guiding for seconds. The one-dimensional effective BEC temperature is lowered by a factor of 30, down to a few nanoKelvin. These demonstrations now provide a platform to realize highly sensitive compact atomic rotation sensors and investigate fundamental questions, e.g., superfluidity of BECs much above their critical velocity.

Η σύμφωνη καθοδήγηση και χειρισμός υλικών κυμάτων είναι μεγίστης σημασίας στην ανάπτυξη εύχρηστων ατομτρονικών αισθητήρων και συσκευών. Σε αυτή τη διατριβή, παρουσιάζεται η καθοδήγηση Συμπυκνωμάτων Bose-Einstein (BECs) με υπερηχητικές ταχύτητες απουσία διεγέρσεων σε παγίδες και κυματοδηγούς δακτυλιοειδούς σχήματος χρησιμοποιώντας Χρονικά Μεσοσταθμισμένα Αδιαβατικά Δυναμικά (TAAP). Για πρώτη φορά, υλικά κύματα μεταφέρονται για μια απόσταση 40 cm σε υπερηχητικές ταχύτητες χωρίς να ανιχνεύεται καμία επιπλέον διέγερση σε σχέση με τη στατική περίπτωση. Παρουσιάζεται παγίδευση και χειρισμός των καταστάσεων σπιν του Ρουβιδίου 87 (87Rb) στα δύο σκέλη της δακτυλιοειδούς παγίδας, με απώτερο στόχο την επίτευξη αισθητήρων περιστροφής χρησιμοποιώντας τη μετάβαση ρολογιού του 87Rb. Η αμελητέα τραχύτητα (μικρότερη των 200pK) των δακτυλίων TAAP αποδεικνύεται μέσω της διάδοσης των BEC στον κυκλικό κυματοδηγό. Σε διαφορετική συμβολομετρική διάταξη, όπου γίνεται χρήση οπτικών διαχωριστών δέσμης και οδηγούμενων υλικών κυμάτων σε οριζόντιους κυκλικούς κυματοδηγούς, εφάρμοσα την τεχνική ψύξης με παλμούς δέλτα, με στόχο την επίτευξη συμπαγών κυματοπακέτων που μπορούν να διαδίδονται στον κυματοδηγό για δευτερόλεπτα. Η ενεργός θερμοκρασία του BEC στη μία διάσταση μειώνεται κατά ένα παράγοντα 30, αγγίζοντας τα μερικά nanoKelvin. Όλα τα παραπάνω επιτεύγματα διαμορφώνουν το υπόβαθρο για την πραγματοποίηση αισθητήρων περιστροφής εξαιρετικής ευαισθησίας και μικρών διαστάσεων, αλλά και την διερεύνηση βασικών ερωτημάτων της φυσικής όπως της υπερ-ρευστότητας των BEC σε ταχύτητες πολύ μεγαλύτερες της κρίσιμης ταχύτητας.