Klein Christian Felix, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2024 :
"Experimente zur starken Kopplung und Grundzustandskühlung in einem atom-optomechanischen Hybridsystem"
"Experiments towards strong coupling and ground state
cooling in an atom-optomechanical hybrid system"
Summary
Die moderne Quanten-Experimentalphysik hat in den vergangenen Jahrzehnten große
Fortschritte gemacht. Die vielfältigen Möglichkeiten Quantensysteme zu manipulieren,
kombiniert mit modernsten, experimentellen Techniken motivierten das Forschungsfeld
der hybriden Quantensysteme. Hybride Quantensysteme kombinieren verschiedene
Subsysteme mit dem Ziel deren jeweilige Vorteile zu vereinen.
In dieser Arbeit präsentieren wir die neuesten Ergebnisse unseres Experimentes, dessen
Ziel die Realisierung starker Kopplung zwischen einem mikromechanischen Si4N3
Trampolin-Resonator und lasergekühlten 87Rb Atomen ist. Die Kopplung wird über ein
kohärentes Lichtfeld vermittelt, das vom Resonator reflektiert wird und ein optisches
1D-Gitterpotential bei den Atomen bildet.
Aufgrund optischer Verluste auf dem Strahlweg wird das Kopplungsgitter asymmetrisch
gepumpt. Diese Pump-Asymmetrie führt zur Entstehung atomarer Dichtewellen
im Gitter, die einen destruktiven Effekt auf die hybride Kopplung in attraktiven Gitterpotenzialen
haben. Wir haben dieses Phänomen in einer numerischen Simulation
modelliert und herausgefunden, dass die hybride Instabilität durch einen zusätzlichen
Kompensationsstrahl unterdrückt werden kann. Infolgedessen haben wir ein Pump-
Asymmetrie kompensiertes Gitter implementiert. Dies erlaubte uns im vormals nicht
zugänglichen Regime attraktiver Gitterpotentiale zu arbeiten und eine Kooperativität
von C_hybrid = (100 ± 25) zwischen beiden Systemen zu erreichen.
Um die Kopplungsstärke zu erhöhen, haben wir erfolgreich eine neue Faser-Cavity mit
einer Finesse von F = 785 im System eingebaut. In dieser Konfiguration war es möglich
eine maximale Kooperativität von C_hybrid = (5900 ± 1300) zu erreichen. Des Weiteren
konnten wir, in guter Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen, experimentell
nachweisen, dass eine weitere Erhöhung der Finesse auf F = 14500 zu keiner weiteren
Verbesserung der Kopplungsstärke führt.
Zusätzlich präsentieren wir eine Methode zur „rückwirkungsfreien“ Messung des Resonatorzustandes,
die eine vollständige Zustandstomographie im Phasenraum ermöglicht.
In diesen Messungen findet die Lichtfeld-ResonatorWechselwirkung auf Zeitskalen statt
die viel kürzer sind, als eine Oszillationsperiode des Resonators. Dies erlaubt die Vermessung
des Zustandes mit einer Auflösung unterhalb des Standard-Quanten-Limits.
Um den Grundzustand des Resonators aufzulösen, haben wir eine notwendige Finesse
von F = 14500 errechnet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Cavities entsprechend
dieser Spezifikation gefertigt und in das Experiment implementiert. Messungen wurden
bei Finessen von F = 785 und F = 14500 durchgeführt. Während das System den
Resonatorzustand bei der niedrigeren Finesse mit einer Präzision der 16-fachen Grundzustandsbreite
auflösen konnte, zeigten die ersten Experimente mit der Hochfinesse-
Cavity, dass weitere experimentelle Verbesserungen notwendig sind, um aussagekräftige
Ergebnisse zu erhalten.
Titel
Kurzfassung
Modern experimental quantum physics experienced a rapid development in the past
decades. The high degree of control and state of the art experimental techniques motivated
the research field of hybrid quantum systems. Hybrid quantum systems combine
different hybrid partners that can acquire quantum properties on their own to exploit
their individual advantages.
Here we report on the latest results at our experiment that aims to realize strong hybrid
coupling between a micromechanical Si4N3 trampoline resonator and laser-cooled
87Rb atoms. The coupling is mediated via a coherent light field that is reflected from
the resonator and forms an optical 1D lattice potential for the atoms.
Due to optical losses on the beam path, the coupling lattice is asymmetrically pumped.
This leads to the emergence of atomic density waves in the lattice which has a detrimental
effect on the coupling for attractive lattice potentials. We numerically simulated this
phenomenon and found that introducing an additional pump-asymmetry-compensation
beam can remove the asymmetry-induced instability. As a result we implemented a
compensation lattice which allowed us to operate in the previously inaccessible regime
of attractive coupling lattice potentials where we reached a maximal cooperativity
C_hybrid = (100 ± 25) at room temperature.
In a parallel endeavor we successfully implemented a new fiber cavity with F = 785
to significantly improve the coupling between atoms and the mechanical resonator. In
this configuration we reached a maximal cooperativity of C_hybrid = (5900 ± 1300) at
room temperature. Furthermore we show experimentally that increasing the finesse of
the cavity even further to F = 14500 does not improve the coupling strength in good
agreement with theoretical predictions such that further improvements by tuning the
finesse are not feasible.
Lastly we realized a quantum-non-demolition measurement technique to perform rapid
state tomography of a mechanical resonator. Here the interaction between the resonator
and the light field takes place on time scales much smaller than the mechanical oscillation
period, which allows for back-action evading measurements of the resonator state
with sub-standard-quantum-limit resolution. We calculated a finesse of F = 14500 to
resolve the resonator ground state and manufactured as well as implemented a corresponding
new fiber cavity into the experimental setup. We conducted pulsed measurements
with cavities of F = 785 and F = 14500. While the medium finesse configuration
allowed to resolve the resonator state with an imprecision of 16 zero-point motions, the
first experiments using the high finesse configuration suggest that further experimental
modifications are necessary to acquire meaningful results.