Interferometrie mit flexiblen Materiewellen - iWave

Der Welle-Teilchen-Dualismus ist eines der fundamentalen Prinzipien der Quantenphysik: Massive Teilchen wie z. B. Atome tragen auch Welleneigenschaften, was die Konstruktion einer Atom-Optik ermöglicht, insbesondere auch Interferometer und Gyroskope. Es besteht jedoch ein grundsätzlicher Unterschied zwischen Lichtteilchen und Atomen: Während Lichtteilchen sich ungehindert gegenseitig durchdringen, wechselwirken Atome untereinander, was die Materiewellen entscheidend beeinflusst. Diese Wechselwirkung kann im Prinzip eingestellt werden - sowohl die Stärke als auch das Vorzeichen. Damit werden in der Atomoptik Experimente und Geräte möglich, die mit Lichtteilchen nicht realisiert werden können. Bisher ist jedoch die Einstellbarkeit der Atom-Wechselwirkung nicht wirklich für Atomoptik genutzt worden. Das Ziel des iWave Projektes ist es, ein Atominterferometer mit Bose-Einstein Kondensaten (BEK) mit einstellbaren Wechselwirkungen aufzubauen. Wir wollen untersuchen, wie die Wechselwirkungen dynamisch gesteuert werden können, um Kohärenz(zeit) und Verschränkung optimal für Präzisionsmessungen zu nutzen. Das bestimmende Problem mit bestehenden Atominterferometern, die mit fixen (meist repulsiven) Wechselwirkungen arbeiten, ist die sog. Phasendiffusion, welche die nutzbare Arbeitszeit des Interferometers massiv reduziert. Aus diesem Grund ist BEK-Interferometrie derzeit anderen Messmethoden unterlegen. Im iWave Projekt möchten wir dieses Problem überwinden, indem wir BEK Interferometrie zum ersten Mal mit einstellbaren Wechselwirkungen kombinieren. Konkret werden wir mit Cäsium- Atomen arbeiten, bei denen sich die Wechselwirkungen besonders leicht und variabel einstellen lassen. Dies sollte uns erlauben, die Arbeitszeit des Interferometers entscheidend zu verlängern und die Präzision alternativer Techniken zu erreichen oder zu übertreffen. Der geplante Aufbau wird minimale Abweichungen der Lotline detektieren. Die Lotlinie zeigt auf unterschiedlichen Zeitskalen (Stunden-Tagen) eine interessante Dynamik aufgrund der Gezeiten, der Himmelsmechanik, Prozessen im Erkern sowie einiger weiterer lokaler Einflüsse. Wir arbeiten mit den Geodäten der TU Wien zusammen, um das Interferometersignal zu interpretieren und fundamentale von technischen Einflüssen zu trennen.

Im Rahmen des iWave Projekts wurde erfolgreich ein neuer experimenteller Aufbau zur Untersuchung ultrakalter und quanten-degenerierter Cäsium-gase aufgebaut. Dieser Aufbau kombiniert die etablierten Techniken eines Atomchips mit optischen Dipolfallen, für Cäsium ist dies der erste Aufbau dieser Art. Diese Kombination erlaubt es, Cäsium in beliebigen Hyperfein- und Zeeman-Zuständen in unmittelbarer Nähe des Atomchips zu halten und hohe Nahfeld-Wechselwirkungen im Radiofrequenz- und Mikrowellen-Bereich zu studieren. Direkter optischer Zugang ist durch ein Fenster im Chip gewährleistet. Der Aufbau ist bei Projektende voll funktionsfähig, beliebige Zustände können optisch am Atomchip gefangen werden. Derzeit werden die atomaren Streueigenschaften, insbesondere Feshbach Resonanzen in Abhängigkeit von Dichte, Temperatur, Magnetfeld, Zustandsmischung untersucht. Evaporatives Kühlen im 3-3 (oder 4-4) Zustand konnte realisiert werden, jedoch wurde bisher noch kein BEC erreicht. Der Projektfortschritt ist aufgrund der CORONA-Pandemie verlangsamt, teilweise wegen limitiertem Zugang zum Labor, teils wegen massiv angestiegenen Lieferzeiten. Projektphase 3 (von 5) konnte abgeschlossen werden. Der Aufbau funktioniert generell ausgezeichnet, die weiteren wissenschaftlichen Themen werden in einem Folgeprojekt untersucht: Bi-Nationales FWF-ANF Projekt "Mikrowellenkontrolle von kalten Stößen bei Alkaliatomen", in Zusammenarbeit mit Aurelien Perrin von der Universität Paris Nord, in Zusammenarbeit mit Jean Dalibard und Timur Tscherbul