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Spin-Dynamik zur Erzeugung von verschränkten Atomen

Bei ultrakalten Temperaturen können neutrale Atome ein sogenanntes Bose-Einstein Kondensat (BEC) bilden - eine Art atomarer Laser. Solche Kondensate können mit hoher Genauigkeit manipuliert werden und werden als Kernstück hoch präziser Sensoren sowie für die Untersuchung fundamentaler physikalischer Effekte verwendet. In einer Dipolfalle, die durch einen rot verstimmten Laser erzeugt wird, können Atome mit beliebiger Spin-Ausrichtung gefangen werden. Somit gewinnen die Kondensate einen weiteren Freiheitsgrad und man spricht von Spinor-Kondensaten.

In diesem Projekt wurden Spin-ändernde Stöße in einem solchen Spinor-Kondensat genutzt, um Verschränkung zwischen den Atomen zu erzeugen. Es wurde Einstein-Podolsky-Rosen Verschränkung mit kontinuierlichen Variablen gemessen und neue Interferometrie-Konzepte demonstriert, die die erzeugte Verschränkung nutzbar machen, um  Atom-Sensoren mit Präzision jenseits der klassischen Grenze zu betreiben.

Kalte Wolke von Rubidiumatomen gefangen in einer magnetooptischen Falle

Parametrische Verstärkung von Materiewellen

Optisch parametrische Verstärkung ist eine weit verbreitete Methode zur Erzeugung von verschränkten Atompaaren und gequetschtem Licht. In diesem Projekt wurde gezeigt, dass Spin-ändernde Stöße in einem Spinor-Kondensat eine parametrische Verstärkung von Atomen bewirken.

Bei der optischen parametrischen Verstärkung wird ein starker Pumplaserstrahl in einen nichtlinearen Kristall gelenkt. Die Nichtlinearität führt zur Umwandlung eines Photons aus diesem Pumpstrahl in zwei Photonen bei der halben Frequenz. Durch diesen Prozess entstehen zwei miteinander verschränkte Strahlen.

Die parametrische Verstärkung von Atomen in unseren Experimenten beginnt mit der Präparation eines BECs im Spin-Zustand mF=0. Innerhalb dieses Kondensats, dass dem kohärenten Pumplaser in der Optik entspricht, können zwei Atome miteinander Stoßen. Dabei kann es passieren, dass ein Atom in den Spin-Zustand mF=-1 wechselt. Das zweite Atom muss dann in den Spin-Zustand mF=+1 übergehen, so dass die Gesamtprojektion des Spins erhalten bleibt. Diese Paarerzeugung ist intrinsisch nichtlinear und führt zur Erzeugung von verschränkten atomaren Ensembles in den Spin-Zuständen mF=+1 und mF=-1. Diese entsprechen den verschränkten Strahlen aus der Optik.

Im Rahmen dieses Projektes ist eine Reihe von experimentellen Techniken entwickelt und Untersucht worden. Eine genauere Beschreibung der Apperatur befindet sich in dem Abschnitt  Experiment (Englisch).