Kurzfassung
In den vergangenen Jahren gab es erhebliche Fortschritte im Bereich hybrider Quantensysteme, der sich mit der Kombination von mindestens zwei verschiedenen Quantensystemen beschäftigt. Solche hybriden Systeme erlauben es, im Bereich der Grundlagenforschung, das Auftreten von quantenmechanischen Effekten in mesoskopischen und makroskopischen Systemen zu beobachten. Des Weiteren erlauben hybride Systeme die Ausnutzung der jeweiligen Vorteile eines der Teilsysteme im Bereich der Quantentechnologien, wie zum Beispiel der Quantenkommunikation oder in metrologischen Anwendungen. Im Rahmen dieser Arbeit werden Messungen an einem hybriden Quantensystem, bestehend aus ultrakalten Rubidium-87 Atomen und einem Trampolinoszillator in einer kryogenen Umgebung, vorgestellt. Die Wechselwirkung zwischen beiden Subsystemen wird in dem hier vorgestellten Fall durch ein optisches Gitter vermittelt.
In der folgenden Arbeit werden die Ergebnisse von drei Experimenten präsentiert, die an dem genannten Hybridsystem durchgeführt wurden. Zunächst wird gezeigt, wie die Grundmode des Trampolinoszillators durch aktives Feedback auf eine phononische Besetzung von n = 3.81 gekühlt wird. Das Feedback wird durch den Strahlungsdruck eines Laserstrahls ausgeübt, welcher mit einem aus der Positionsmessung des Oszillators abgeleiteten Signal moduliert wird.
Des Weiteren werde ich ein Experiment präsentieren bei dem der Oszillator durch Kopplung an lasergekühlte Atome sympathetisch gekühlt wird. Der Oszillator wurde sympathetisch bis zu einer Modentemperatur von T = 20 mK gekühlt, woraus sich eine Einzelphononenkopplungsrate von 1823 Hz und eine Kooperativität der Hybridkopplung von 3857 ergibt.
Weiterhin wurde die Kopplung des mechanischen Oszillators an ultrakalte Atome realisiert. Es wird gezeigt, wie ein Bose-Einstein-Kondensat in das zur Kopplung verwendete optische Gitter geladen wird. Anschließend wird durch Messung der dann im optischen Gitter auftretenden Anregungen der Atome die Kopplung zwischen dem Oszillator und den Atomen charakterisiert.
In the past years, there has been significant progress in the field of quantum hybrid systems, which is a field dealing with the combination of multiple quantum systems. Such hybrid systems allow to observe quantum mechanical effects in macroscopic and mesoscopic systems. Furthermore, hybrid systems allow utilizing the advantages of both subsystems in quantum technologies, such as quantum communication or metrological applications. In the framework of this thesis, measurements on a quantum hybrid system consisting of ultra-cold rubidium-87 atoms and a trampoline oscillator inside a cryostat will be presented. The interaction between both subsystems is mediated by an optical lattice. In the following, I am going to present the results of three measurements that were performed on the hybrid system. Firstly, I will present active feedback cooling of the oscillator's fundamental mode to a minimum phonon occupation of n = 3.81. The feedback is exerted by the radiation pressure force of a laser beam that is modulated using a signal derived from the position measurement of the oscillator. Secondly, I will present an experiment where the fundamental mode of the mechanical oscillator was sympathetically cooled by coupling it to a sample of laser cooled atoms. The oscillator mode is sympathetically cooled to a minimum mode temperature of T = 20 mK, which corresponds to a single phonon hybrid coupling rate 1823 Hz and a hybrid cooperativity of 3857. Thirdly, coupling between the mechanical oscillator and ultra-cold atoms was realized. I will present an experiment where a Bose-Einstein-condensate was loaded into the optical lattice used for coupling. Subsequently, atomic excitations occurring in the lattice are used to characterize the hybrid coupling between the oscillator mode and the atoms.