Kurzfassung
The fundamental question regarding the transition between the seemingly contradictory quantum and classical description of nature has intrigued physicists since the discovery of quantum mechanics. Further insight on preparing non-classical states in macroscopic systems is expected from creating hybrid quantum systems of entirely different partners.
This thesis details the realization of such a hybrid quantum system consisting of a Bose-Einstein condensate (BEC) and a cryogenically pre-cooled membrane oscillator. The latter is enclosed by a Fabry-Pérot cavity, representing a membrane in-the-middle (MiM) system. A light field mediates the mutual coupling between both
systems over a macroscopic distance.
A central goal of this dissertation has been the design and implementation of a cryogenic MiM system. Essential to these efforts has been the investigation of the mode-filtering capabilities of optical fibers as well as the analysis of interference effects in the light field retroreflected by the cavity. Based on this knowledge, an ideal fiber-based Fabry-Pérot cavity was produced and integrated into a
dilution refrigerator operated at 485 mK.
As the second part of the hybrid system, a BEC machine was successfully set up and characterized. Furthermore, a crossed optical dipole trap at 1064 nm wavelength was designed, implemented an tested in the course of this thesis.
Die fundamentale Frage zum Übergang zwischen den scheinbar widersprüchlichen quantenmechanischen und klassischen Beschreibungen der Natur hat Physiker bereits seit der Entwicklung der Quantenmechanik fasziniert. Einblicke in die Präparation von nichtklassischen makroskopischen Systemen können hybride Quantensysteme ermöglichen, die verschiedene physikalische Teilbereiche kombinieren. Diese Arbeit stellt die Realisierung eines solches Systems, bestehend aus einem Bose-Einstein Kondensat (BEC) und einem kryogenisch vorgekühlten Membranoszillator, vor. Der Oszillator ist in einen Fabry-Pérot Resonator eingebettet und bildet das sogenannte „membrane-in-the-middle“-System (MiM). Mittels eines Lichtfeldes wird die wechselseitige Kopplung der beiden Komponenten über eine makroskopische Distanz realisiert. Als ein wesentliches Forschungsziel wurde im Verlauf dieser Dissertation ein kryogenes MiM Systems entwickelt und aufgebaut. Essentiell hierfür waren die Untersuchung der Modenfiltereigenschaften der optischen Fasern sowie der Interferenzeffekte des vom Resonator reflektierten Lichtes. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein idealer Faserresonator realisiert und in einen Mischungskryostaten integriert, der derzeit bei 485 mK betrieben wird. Der zweite Teil des Hybridsystems, die BEC-Maschine, wurde erfolgreich installiert. Des Weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit eine gekreuzte Dipolfalle bei einer Wellenlänge von 1064 nm konzipiert, implementiert und getestet.