Kurzfassung
Warum lässt sich unsere Welt, die aus vielen einzelnen mikroskopischen quantenmechanischen Systemen besteht, so gut klassisch beschreiben? Diese fundamentale Frage bezgl. des Übergang zwischen jenen beiden diametralen Theorien ist ein ungelöstes Problem der modernen Physik. In den letzten Jahren haben bedeutende Fortschritte im Bereich der Optomechanik den Weg zur Beobachtung vielfältiger quantenmechanischer Phänomene weit jenseits des Mikrokosmos geebnet. Darüber hinausreichende Möglichkeiten ergeben sich durch die geschickte Kombination zweier verschiedener Quantensysteme, einem so genannten hybriden Quantensystem. In solchen kombinierten Systemen ergeben sich neue Möglichkeiten beispielsweise zur Präparation und Detektion nichtklassischer Zustände makroskopischer Objekte.
In dieser Arbeit wird der Aufbau eines neuartigen hybriden Quantensystems beschrieben, welches sich aus zwei grundverschiedenen Systemen zusammensetzt. Der erste Baustein ist ein 87Rb Bose-Einstein Kondensat (BEC) - eine ideale Realisierung eines Vielteilchen-Grundzustandes. Der zweite Baustein ist ein optomechanisches System in kryogener Umgebung, eine Membran in einem optischen Resonator (membrane in the middle - MiM). Beide Systeme werden über eine makroskopische Strecke gekoppelt, wobei die Wechselwirkung über ein Lichtfeld vermittelt wird.
Im Speziellen wird das MiM System, welches im Rahmen dieser Arbeit realisiert wurde, durch einen faser-basierten Fabry-Pérot Resonator und eine SiN Membran gebildet. Es wurde ein asymmetrischer Resonator mit hoher Reflektivität auf Resonanz als optimale Lösung identifiziert. Ein solches System wurde bisher noch nicht experimentell realisiert, ermöglicht aber eine hohe Kopplungsstärke zwischen beiden Bausteinen. Fasern sind aufgrund ihrer schlechten thermischen Leitfähigkeit ideal geeignet um Licht in kryogene Umgebung zu bringen. Sie werden im Kryostat in neuartigen fünf-achsigen Goniometern, basierend auf Piezomotoren, gehaltert.
Der kritische Parameter für asymmetrische faser-basierte Resonatoren ist der Überlapp zwischen der Fasermode und der Resonatormode. Durch einen Interferenzeffekt sorgt bereits eine leichte Abweichung vom optimalen Modenüberlapp für einen massiven Verlust des reflektierten Lichts in der Faser. Dieser neuartige Effekt, der in asymmetrischen faser-basierten Resonatoren von essentieller Bedeutung ist, wurde mithilfe von einem analytischen Modell verstanden und mit numerischen Simulationen und experimentellen Untersuchungen verifiziert.
Die für eine stabile Resonatormode in dem MiM System notwendigen gekrümmten Strukturen auf den Faser-Endflächen werden mithilfe von CO2-Laserpulsen erzeugt. Das Licht wird absorbiert und evaporiert Material von der Oberfläche. Nachträglich wird die bearbeitete Faser mit einem Linnik Interferenzmikroskop vermessen und der Krümmungsradius bestimmt. Auf der Basis dieser Erkenntnisse wurde ein asymmetrisches faser-basiertes MiM System bei Raumtemperatur aufgebaut und in ersten Messungen die Güte des mechanischen Oszillators sowie die optomechanische Kopplungsstärke vermessen.
Des Weiteren wurde ein Aufbau zur zuverlässigen Erzeugung von BECs geplant, realisiert und in ersten Messungen Bose-Einstein Kondensation beobachtet. Der Aufbau besteht aus einem 2D/3D MOT Design in Kombination mit einer Hybrid-Dee Magnetfalle. Mittels Radiofrequenz-Evaporation können BECs mit N ung. 8 x 10^4 Atomen bei einer Zykluszeit von 30 s erzeugt werden.
Why is it that our world, which consists of many microscopic quantum systems, can be described in terms of classical physics? This fundamental question about the transition between these two diametrically opposed theories is an unsolved problem of modern physics. In recent years, tremendous progress in the field of optomechanics paved the way for the observation of a large variety of quantum phenomena far beyond the microcosmos. Additional possibilities arise from the skillful combination of different quantum systems to create a so-called hybrid quantum system. In these systems, new possibilities to prepare and detect non-classical states in macroscopic systems arise. In this thesis the setup of a new hybrid quantum system is described that consists of two entirely different systems. The first building block is a 87$Rb Bose-Einstein condensate (BEC) - an ideal realization of a many-body ground state. The second building block is an optomechanical system in a cryogenic environment, a membrane in an optical cavity (membrane in the middle - MiM). Both systems are coupled over a macroscopic distance via a light field. In this particular case, the MiM system is realized using a SiN membrane in a fiber-based Fabry-Pérot cavity. In the course of this thesis, an asymmetric cavity with high reflectivity on resonance was identified as the ideal candidate. Such a system has not yet been reported in the literature, but allows for a strong coupling between the two constituents of the hybrid quantum system. Additionally, fibers are ideally suited to bring light into cryogenic environments due to their low thermal conductivity. In the cryostat, they will be mounted in novel fixe-axis goniometers. The key parameters for an asymmetric fiber-based cavity is the mode overlap between the cavity mode and the fiber mode. Due to an interference effect, a small change in the mode match already results in a massive amount of light loss of the reflected cavity mode in the fiber. This previously unknown effect was identified as crucial in asymmetric fiber-based cavities and is studied in this thesis using an analytical model, which is verified using numerical calculations and experimental data. The curved structures necessary for a stable cavity mode in the MiM system are processed onto the fiber tips using CO2 laser pulses. The light is absorbed, resulting in the evaporation of material. Afterwards, the fiber is analyzed using a Linnik interference microscope to determine the radius of curvature of the processed feature. With this knowledge, an asymmetric fiber-based MiM system at room temperature was set up and in first measurements the mechanical quality factor and the optomechanical coupling strength were studied. Furthermore, a setup to create BECs was planned and realized. Here, in first measurements, Bose-Einstein condensation was observed. The system is based on a 2D/3D MOT design in combination with a Hybrid-Dee magnetic trap. Using radio-frequency evaporation, BECs with N approx 8x10^4$ atoms can be produced at a cycle time of 30 s.