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Quantum technologies

Dieter Meschede's research group
Thesis - Single Cs-Rb BEC


  • N. Spethmann
    Single impurity atoms immersed in an ultracold gas, (2012), PhD thesisBibTeXPDF
    In this thesis, experiments with an ultracold gas doped with few and single atoms of another species are presented. The techniques to adequately prepare and manipulate an ultracold Rb gas and to dope it with a precisely known number of few Cs atoms are introduced. These techniques allow the time-resolved observation of the sympathetic cooling of initially laser-cooled, cold impurity atoms into the ultracold temperature regime of the Rb buffer gas. During the cooling, the confinement of the impurity atom is enhanced to a reduced volume inside the buffer gas, which increases the interspecies collision rate. By analyzing the cooling process, the interspecies scattering cross section is estimated. The lifetime of the resulting hybrid system is limited by three-body recombination of the impurity atom with atoms of the buffer gas. The atomic resolution of the impurity atom number allows the determination of the lifetime atom-by-atom. Additional information is gained from the precisely known fluctuations of the number of lost impurity atoms. This information is exploited to assign the three-body losses unambiguously to a single loss channel. The interaction of an impurity atom in a quantum-mechanical superposition state with the buffer gas is of special interest for future experiments. First experiments into this direction are presented at the end of the thesis.


  • S. John
    Towards Single Atom Aided Probing of an Ultracold Quantum Gas, (2011), PhD thesisBibTeXPDF
    In this thesis, the interactions in an unbalanced Rubidium (Rb)-Caesium (Cs) mixture are studied, where the Cs atoms have been used as probes to study the interspecies interactions. The Rb atoms are trapped and stored in a conservative potential, in an optical dipole trap and cooled to quantum degeneracy. The coherent manipulation of the spin states is realized using a microwave and radio frequency radiation to prepare the Rb atoms in the various Zeeman split hyper ne levels of the ground state. Cs atoms are trapped in a MOT. An overlap of these two entities is obtained via a magnetic transport to study the interspecies interactions. The dynamics of the Cs MOT is studied in the presence of a 600nK thermal cloud of Rb, where a loss in the Cs atoms is observed. Rb remains una ected. Here, a method has been demonstrated, where the interspecies inelastic two- and three-body collisions have been investigated by monitoring the one- and two-atom loss rates in Cs. Each term in the complicated inelastic rate equation has been determined individually without having to solve the rate equation which can not be solved analytically. This is therefore, a nondestructive and simple method to extract information about the interactions and can be performed for future experiments with Cs in a conservative species speci c potential.


  • C. Weber
    Controlled few-body interactions in ultracold bosonic mixtures, (2010), PhD thesisBibTeXPDF
    In this thesis two experiments with heteronuclear Bose-Bose mixtures are discussed. The goal of the first experiment is a controlled doping of a rubidium condensate with single caesium atoms. These undertake the task of a non-destructive probe to investigate quantum mechanical phenomena time- and spatially resolved. In this thesis the necessary methods to produce, store, and detect both components, single atoms and the condensate, are realized. In a first experiment up to 10 caesium atoms are stored as a probe in contact with a cold rubidium atomic cloud. The interaction parameters are extracted from the dynamics of the single atoms. This is an important step towards the controlled doping of a condensate. The aim of the second experiment is the production and spectroscopy of ultracold heteronuclear potassium-rubidium molecules with universal properties. Close to two magnetic s-wave Feshbach resonances weakly bound molecules in high vibrational states are created, and their binding energy and the position of the associated Feshbach resonance are determined. These results in combination with two narrow d-wave Feshbach resonances provide the basis for a more precise parametrization of the potassium-rubidium molecular potential. The knowledge of this is important to identify a proper scheme to transfer the molecules via coherent coupling into their rovibrational ground state. These molecules offer a permanent dipole moment and thus are of particular interest for e.g. quantum information processing due to their anisotropic, long-range dipole-dipole interaction.
  • O. Fetsch
    Bau einer speziesselektiven Falle für ein einzelnes Cs-Atom in einem Rubidiumhintergrundkondensat, (2010), Diplom thesisBibTeX


  • T. Weikum
    Ein System zur Fluoreszenzdetektion einzelner Cäsiumatome in einem Rubidium-Bose-Einstein-Kondensat, (2009), Diplom thesisBibTeXPDF
    Die im Rahmen dieser Diplomarbeit erlangten und hier vorgestellten Ergebnisse tragen wesentlich zum Erreichen des Experimentziels, dem Einbringen eines einzelnen Cs-Atoms in ein Rb-Bose-Einstein-Kondensat, bei. So wurde für den Einsatz am in Kapitel 4 beschriebenen Gesamtexperiment ein Rb-Rückpump-Diodenlaser mit neuem Gehäusedesign aufgebaut, um den entsprechenden älteren Diodenlaser, welcher das tägliche Experimentieren durch häuge Modensprünge signikant behinderte, zu ersetzen. Der neu aufgebaute Diodenlaser weist eine gute Frequenzstabilität auf und ist auf äußere akustische oder mechanische Störungen wenigempndlich. Für den zukünftigen Nachweis der einzelnen Cs-Atome im Rb-Bose-Einstein-Kondensat, dessen theoretische Grundlagen in Kapitel 2 kurz zusammengefasst wurden, konnte ein auf Fluoreszenzdetektion basierendes Abbildungssystems realisiert werden (Kapitel 5 und 6). Dabei gehörten die sorgfältige Analyse der Anforderungen an das Abbildungssystem und dessen an die experimentellen Bedingungen angepasstes Design genauso zu den zu bewältigenden Aufgaben, wie die theoretische Simulation der optischen Eigenschaften von ausgewählten Komponenten sowie die Verifikation dieser theoretischen Vorhersagen im experimentellen Test. Vor dem endgültigen Einbau des Fluoreszenzdetektionssystems in das Gesamtexperiment wurde dieses separat aufgebaut und vorjustiert. Mit einer abgeänderten Kollimationsoptik konnte so nach dem Einbau des Fluoreszenzdetektionssystems in das Gesamtexperiment schließlich die typische stufenförmige Ladekurve einer nur wenige Atome einfangenden Cs-MOT aufgenommen werden. Damit wurde auch der experimentelle Beweis erbracht, dass das entworfene und realisierte Detektionssystem für den Nachweis einzelner Cs-Atome sehr gut geeignet ist.


  • M. Haas
    Sympathetisches Kühlen in einer Rubidium-Cäsium-Mischung: Erzeugung ultrakalter Cäsiumatome, (2007), PhD thesisBibTeXPDF
  • L. Steffens
    Aufbau einer optischen Dipolfalle zur Speicherung atomarer Bosegemische, (2007), Diplom thesisBibTeXPDF


  • V. Leung
    Neutral Atom Interactions at Surfaces, in Mixtures, and Bose-Condensates, (2006), PhD thesisBibTeXPDF
    This thesis presents, through a series of experimental and numerical results, an investigation of the collisional interactions of neutral atoms for topics of technological and scientific interest, namely, atom-surface interactions for lithography, and atom-atom interactions in cold atomic mixtures and Bose-Einstein condensates. In the first chapter I report on an experimental scheme to investigate the interaction of metastable helium atoms with molecular surface monolayers, which act as ultrathin resists for atom lithography. We seek to isolate the interaction between the metastable atom and the monolayer from other possible interactions, such as that of ultraviolet photons, which are also present in significant quantities. Using the characterized properties of a new liquid nitrogen-cooled discharge source, an experimental scheme was implemented which utilizes magnetic manipulation techniques for neutral atoms to create a lithography exposure involving metastable helium atoms alone. In the second chapter, the development of an experiment for the study of ultracold interactions between rubidium and cesium atoms is documented. Starting with an experiment for the Bose-Einstein condensation of Rb-87, modifications were made which allowed the simultaneous confinement of rubidium and cesium atoms in magneto-optical, quadrupole, and Ioffe trapping configurations. By imprinting a temperature gradient between the overlapped atomic clouds through optical molasses, re-thermalization between magnetically trapped rubidium and cesium atoms through s- and p-wave collisions was observed. In order to create precise and variable temperature gradients in the binary mixture, a modular 6.83 GHz source was implemented for species-selective evaporative cooling at the hyperfine transition frequency of rubidium. Bose-Einstein condensates of rubidium was created and the lifetime-limiting losses due to three-body collisions investigated. The third chapter puts forward the results of numerical simulations on the creation and propagation of bright soliton trains in Bose-condensates, based on the experimental observation of soliton trains by Strecker et al.. Using a mean-field approach, numerical solutions of the Gross-Pitaevski equation were obtained which reproduce the key features of the experiment and offer insights into soliton collisions and the determination of soliton number.


  • D. Frese
    Bose-Einstein Condensation of Rubidium. Towards Ultracold Binary Bosonic Mixtures, (2005), PhD thesisBibTeXPDF
  • C. Grachtrup
    Aufbau einer kombinierten magnetooptischen Falle für Cäsium und Rubidium, (2005), Diplom thesisBibTeX


  • B. Klöter
    Erzeugung ultrakalter Rubidiumatome zur Photoassoziation von Rubidium und Caesium, (2003), Diplom thesisBibTeXPDF
  • M. Ringler
    Aufbau und Charakterisierung einer Magnetfalle zum Speichern und Kühlen verdünnter atomarer Gase, (2003), Diplom thesisBibTeXPDF


  • T. Herz
    Charakterisierung eines Doppel-MOT-Systems zur Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats, (2001), Diplom thesisBibTeXPDF
    Während der Zeit dieser Diplomarbeit wurde das Experiment kontinuierlich weiterentwickelt. Die Atomzahl in der oberen MOT wurde mit verschiedene Verbesserungen um den drei Größenordnungen erhöht. Die optischen Elemente des Pushing-Beams wurden aufgebaut. Ein zuverlässiger Transport von Atomen in die Glaszelle mit Hilfe des Pushing-Beams konnte sowohl im gepulsten als auch im kontinuierlichen Betrieb nachgewiesen werden. Die Eigenschaften des Atomstrahls wurden charakterisiert. Die optischen Elemente der unteren MOT wurden aufgebaut und die MOT erfolgreich in Betrieb genommen. Es wurden verschiedene Messungen zu Atomzahlen und Temperaturen an der unteren MOT vorgenommen. Die Stabilität der Falle wurde kontinuierlich verbessert und die Anzahl der gefangenen Atome wurde deutlich verbessert. Erstes Umladen in die Magnetfalle wurde erfolgreich vorgenommen. Die ersten Versuche zum optischen Pumpen vor dem Umladen in die Magnetfalle fanden kürzlich statt. Die Beobachtungsoptik zur Detektierung der kalten Atomwolke wurde fertiggestellt.