Diplomarbeit Peter Eiswirt (2011)

Einleitung
Die Fähigkeit, neutrale Atome zu kühlen und über einen langen Zeitraum zu speichern,
ist eine grundlegende Voraussetzung bei der Untersuchung und Überprüfung von quantenmechanischen
Effekten und Theorien. Dabei hatten vornehmlich die Entwicklungen
im Feld der Laserkühlung und der Speicherung von Atomen mit Lasern den Energiebereich
von wenigen Millikelvin zugänglich gemacht.
Die ersten Anregungen, neutrale Atome mit Hilfe von Licht zu kühlen, wurden bereits
1974 von T.W. Hänsch und A.L. Schawlow in [1] gegeben und in [2] wurde durch
A.Ashkin das Speichern von Atomen mit resonanten Lichtdruck vorgeschlagen. Die Entwicklung
der magneto-optischen-Falle (MOT) [3] stellte dabei ein hervorragendes Mittel
zum Kühlen und Speichern von Atomen dar, jedoch besitzt diese den Nachteil, dass
die Atome in der Falle kontinuierlich durch die nahresonanten Laserstrahlen der MOT
optisch angeregt werden und wieder zerfallen. Die Kohärenzzeit für einen Zustand des
Atoms ist somit sehr kurz. Die starke Wechselwirkung der gefangenen Atome mit dem
Licht der Falle kann in einer weitverstimmten Dipolfalle [4, 5] verringert werden, wodurch
deutlich längere Kohärenzzeiten erreicht werden können. Die Eigenschaft der langen
Kohärenzzeit der Atome ist vor allem für die Quanten-Informationsverarbeitung
(QIV) interessant. Die internen Zustände solcher gefangenen Atome stellen dadurch eine
vielversprechende Option für die Umsetzung eines Quanten-Bits (Q-Bits) dar [6].
Der räumliche Einschluss der Atome in der Dipolfalle ist durch den Intensitätsgradienten
der verwendeten Laserfelder gegeben. Für einen starken Einschluss werden typischerweise
fokussierte Laserstrahlen [4] verwendet. Eine weitere Möglichkeit für einen hohen Intensitätsgradienten
ist die Nutzung von evaneszenten Lichtfeldern. Diese entstehen bei der
internen Reflexion von Licht an einer dielektrischen Grenzfläche, bei der im Außenbereich
die Intensität des Lichtes sehr stark abfällt. Dazu kann beispielsweise ein Prisma
benutzt werden, wie in [7] demonstriert.
Ein anderer Aspekt, der für die QIV sehr wichtig ist, ist die Fähigkeit, die internen Eigenschaften
der gefangenen Atome manipulieren zu können, um zum Beispiel Quanten-
Informationen zwischen verschiedenen Quanten-Systemen auszutauschen. Ein System,
das dafür potentiell geeingnet ist, ist die nanofaserbasierte Dipolfalle [8]. Für diese Dipolfalle
wird eine Standardglasfaser auf eine Größenordnung von 500 nm verjüngt [9]
und das evaneszente Lichtfeld um die ultradünne Faser wird zur Erzeugung eines Dipolpotentials
verwendet. Die Atome sind dann über das evaneszente Lichtfeld an die Faser
gekoppelt, was einen direkten Zugang zu den Atomen in der Falle erlaubt. Durch das
Leiten weiterer Laserstrahlen durch die Faser kann sehr effizient kohärente Licht-Atom-
Wechselwirkung gesteuert werden, wodurch die nanofaserbasierte Dipolfalle eine Schnitt-
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