Transport ultrakalter Rubidiumatome durch eine Hohlfaser in einen Kryostaten; im Verbundprojekt: Hollow-core fiber atom guide for quantum devices (QuantumGuide)

Abstract

Die Entkopplung von Quantensystemen von ihrer Umgebung ist eine zentrale Herausforderung aller Quantentechnologien, da Kohärenzen und Verschränkungen empfindlich auf externe Störungen reagieren. Gleichzeitig ist zur Präparation und Kontrolle eine gezielte Kopplung an die Umgebung notwendig. Während optische und elektrische Signale über Fasern bzw. Kabel effizient transportiert werden können, existierte bislang keine Technik, um Quantensysteme verlustarm zu erzeugen und flexibel zu transportieren. Eine vielversprechende Lösung ist die Kopplung zweier Apparaturen über Hohlfasern mit kleinem Kerndurchmesser, wodurch differenzielles Pumpen effizient und platzsparend realisiert werden kann. Frühere Experimente transportierten Atome mittels Laserstrahlung durch Kapillaren oder photonische Kristallfasern, waren jedoch auf Distanzen bis maximal etwa 30 cm begrenzt. Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer Hohlfaser-basierten Quelle kalter Rubidium-Atome und deren erstmaliger Transport über etwa 1 m in einen Kryostaten. Es wurden geeignete Hohlfasern ausgewählt, bei Raum- und kryogenen Temperaturen charakterisiert sowie Halterungen und Vakuumdurchführungen entwickelt. Danach erfolgten das Beladen der Faser mit Atomen und die Untersuchung von Verlustraten, Temperatur und Geschwindigkeit. Zusätzlich wurde eine Technik zur Kühlung der Atome in der Faser simuliert und implementiert. Die wesentlichen Ergebnisse des Vorhabens waren wie folgt: Es konnten bis zu etwa eine Million kalter Atome in eine Hohlfaser geladen und erstmals über nahezu 90 cm transportiert werden. Damit wurde der bisherige Rekord von ca. 30 cm deutlich übertroffen. Zeit- und ortsaufgelöste Messungen ermöglichten die Charakterisierung der Atomdynamik innerhalb der Faser. Entscheidend war die Kontrolle relevanter Verlustmechanismen wie Hintergrundgasstöße und Intensitätsfluktuationen der Dipolfalle. Die Untersuchungen zeigten unter anderem, dass Biegeradien über 10 cm sowie kryogene Temperaturen keinen signifikanten Einfluss auf Transmission und Doppelbrechung der verwendeten antiresonanten Hohlfaser haben. Das Evakuieren einer ein Meter langen Hohlfaser erfolgt innerhalb weniger Minuten. Hauptursache für Atomverluste war der Enddruck in der Faser, der durch Ausgasen bestimmt wird und sich durch Ausheizen reduzieren lässt. Polarisationseffekte, parametrisches Aufheizen und evaporative Verluste spielten dagegen keine wesentliche Rolle. Insgesamt wurde gezeigt, dass der Transport kalter Atome über Meterdistanzen durch Hohlfasern technisch realisierbar ist. Weitere Verbesserungen der Vakuumbedingungen könnten künftig noch größere Distanzen ermöglichen.