Detailansicht
Development of a metastable helium BEC as a platform for experiments with EPR-entangled matter waves
Maximilian Ebner
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Betreuer*in
Anton Zeilinger
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30025.65647.882866-3
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In den vergangenen vier Jahren wurde ein Labor aufgebaut, um grundlegende Fragestellungen der Quantenmechanik, die mit Korrelationsmessungen an individuellen Atomen einer Materiewelle adressiert werden können, zu beantworten. Die große Kohärenzlänge in einem Bose-Einstein-Kondensat, als Quelle für Materiewellen, wird dabei eine wesentliche Rolle spielen. Mit dem Kondensat kann eine Vier-Wellen-Mischung initiiert werden, die zu korrelierten Atompaaren führt, was in bemerkenswerter Analogie zu der spontanen parametrischen Fluoreszenz von Photonen abläuft. Die Paare sind dann in der Summe ihrer Impulse und der Differenz ihrer Position verschränkt, was der dreidimensionalen Version des original Einstein-Podolsky- Rosen-Zustands entspricht. Die experimentelle Demonstration dieses verschränkten Zustands verspricht eine Spielwiese für Materiewellenexperimente zu eröffnen, was die erfolgreichen photonischen Experimente in das Reich der massiven Teilchen erweitert. Dadurch wird es möglich werden fundamentale Unterschiede wie Fermi- Statistik im Gegensatz zu Bose-Statistik, die erste Ordnung in der Zeitabhängigkeit der Schrödinger-Gleichung im Gegensatz zu der zweiten Ordnung in Maxwell’s Gleichungen, und Gravitation mit ihrer sehr viel stärkeren Wirkung auf massive Teilchen im Vergleich zu ruhemasselosen Teilchen, im Rahmen von Verschränkung zu testen.
Fu ̈r dieses Vorhaben wurde eine Probe metastabiler Heliumatome, kondensiert in ein Bose-Einstein Kondensat, erzeugt. Nach dem Anregen von Helium-4 in seinen ersten angeregten Zustand, wird der Atomstrahl mit optischen Mitteln gebündelt, gebremst, und in einer magneto-optischen Falle gefangen. Um die Atome unter das Doppler-Limit zu kühlen, werden die Atome in eine rein magnetische Falle transferiert. Quantenmechanische Entartung wird durch Verdampfungskühlung der Helium Atome bis auf 1μK in 10s erreicht. Typischerweise werden 10^6 ununterscheidbare Atome gewonnen und dienen als Ausgangspunkt für die späteren Experimente mit korrelierten Atompaaren.
Zur Detektion der Atomkorrelationen wurde ein hochauflösender, ultraschneller Verzögerungsleitungs-Detektor installiert. Der Detektor besteht aus Mikrokanalplatten in Kombination mit einer Verzögerungsleitung für schnelles, elektronisches Aus- lesen. Jedes Detektionsereignis wird in Ort und Zeit mit 120μm, beziehungsweise 250 ps Genauigkeit aufgezeichnet.
Um korrelierte Atompaare zu erzeugen, wurden Laser aufgebaut, die Raman- Übergänge treiben können und später den Vier-Wellen-Prozess einleiten werden. Danach können die Atome im freien Fall 80cm expandieren bevor sie vom Detektor gemessen werden und daraus ein dreidimensionales Bild der Atome im Impulsraum rekonstruiert wird. Das eröffnet die Möglichkeit für Experimente, die die Verschränkung der Atompaare nach dem Vier-Wellen-Prozess beweisen.
Verschiedene Anordnungen, um die nicht-klassischen Korrelationen zu beweisen, wurden theoretisch untersucht und deren Machbarkeit in dem aktuellen Auf- bau analysiert. Darunter befinden sich Doppel-Doppelspalt- und Geisterinterferenz-Experimente, welche analog zu den Experimenten mit Photonen von Rarity und Tapster sind. Die Analyse zeigt, dass das Erzeugen von individuellen Kollisionszo-nen in dem Bose-Einstein-Kondensat der vielversprechendste Kandidat ist, um die Korrelationen zu demonstrieren.
Abstract
(Englisch)
In the past four years a laboratory has been set up to pursue the fundamental questions of quantum mechanics that can be addressed with correlation measurements of individual atoms in matter-wave experiments. The large coherence length within a Bose-Einstein condensate will be an essential ingredient when the condensate serves as source for matter wave experiments. A four-wave mixing process can be initiated within the condensate to create correlated atom pairs, which is remarkably analogous to the spontaneous parametric down conversion of photons. The pairs are then entangled in the sum of their momenta and the difference of their positions, which is the three dimensional version of the original Einstein-Podolsky-Rosen state. The experimental demonstration of the existence of this entangled state in matter waves promises to open up a playground for matter-wave experiments, extending the successful photonic experiments into the realm of massive particles. Fundamental differences, such as Fermi statistics opposed to Bose statistics, the first order time dependence of the Schrödinger equation opposed to the second order of Maxwell’s equations, and gravity, that has a much larger impact on massive opposed to mass- less particles, will become possible to be tested in the framework of entanglement.
For this purpose, an ultra-cold sample of metastable helium, condensed into a Bose-Einstein condensate has been achieved. After exciting helium-4 to its first excited state the atomic beam is intensified, slowed, and eventually trapped in a magneto-optical trap by optical means. In order to cool the atoms below the Doppler limit of optical cooling, the atoms are transferred to a purely magnetic trap. Quantum mechanical degeneracy is achieved after evaporative cooling of the helium atoms to 1 μK within 10 s. Typically, 10^6 indistinguishable atoms are obtained and serve as a source for later experiments on the statistics of correlated atom pairs.
For detection of the atomic correlations a high resolution, ultra-fast delay-line detector has been installed. The detector consists of a micro-channel plate in combination with a delay line for electronic read out. Each detection event is recorded in space and time with accuracies of 120 μm and 250 ps, respectively.
In order to achieve the correlated atom pairs, lasers to drive Raman transitions have been set up and will be used to initiate the four-wave mixing process. The atoms can then expand under free fall of 80 cm and drop onto the detector, and hence a three-dimensional reconstruction of the momentum space of the atoms is possible. This opens up the pathway to first experiments for confirming the entanglement of the atom pairs created via the four-wave mixing process.
Finally, various schemes to proof the non-classical correlations have been theoretically investigated and analyzed for their feasibility in the current setup. Among those are a double double-slit and a ghost-interference experiment, in analogy to the experiments with photons of Rarity and Tapster. The analysis showed a scheme with individual collision zones within the Bose-Einstein condensate to be the most promising candidate to demonstrate the correlations of entangled matter waves.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum mechanics Quantum optics Atom optics Entanglement BEC Helium
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenmechanik Quantenoptik Atomoptik Verschränkung BEC Helium
Autor*innen
Maximilian Ebner
Haupttitel (Englisch)
Development of a metastable helium BEC as a platform for experiments with EPR-entangled matter waves
Paralleltitel (Deutsch)
Entwicklung eines metastabilen Helium BECs als Plattform für Experimente mit EPR-verschränkten Matteriewellen
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
147 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Markus Oberthaler ,
Michael Horne
AC Nummer
AC10847352
Utheses ID
23578
Studienkennzahl
UA | 091 | 411 | |