Theodor Hänsch (2008) - Towards a Quantum Laboratory on a Chip

Microfabricated magnetic traps, waveguides, and other elements for the manipulation of ultracold atoms can be combined to form a quantum laboratory on a chip. Devices such as miniaturized atom lasers, atom interferometers, and atomic clocks have been implemented in this way

Dear students from around the world, honoured guests, ladies and gentlemen, it’s a particular challenge to open this symposium, to give the first talk and since I only have 30 minutes let’s jump right in. So you have already heard that I will not talk about frequency combs but my friend John Hall will do that later today. Instead I wanted to tell you about a different line of research that we’ve been enjoying and are still enjoying and that is to harness ultra cold atoms and the strange quantum phenomena that can occur if you cool atoms very close to absolute zero. For maybe practical applications and to do it on a micro fabricated chip. Of course you all know that it’s possible to cool atomic gases with laser light. In 1997 the Nobel Prize has been given to Steve Chu, Claude Cohen-Tannoudji and Bill Philips whom we will also hear later today. In 2001 another prize was given to Eric Cornell, Carl Wieman and Wolfgang Ketterle for both Bose-Einstein condensation of ultra cold atomic gasses. Once you have atoms very cold and you keep them suspended in free space, in a vacuum with a magnetic field, you can further cool them by evaporation cooling, by letting atoms escape that carry more than their fair share of energy. So we lose atoms but the gas gets colder and you can make it so cold that the wave nature of matter becomes important. You have wave packets instead of classical particles. And at a certain critical temperature the wave packets of neighbouring atoms start to overlap and then you get Bose-Einstein condensate, a strange spooky state of matter where at the lowest order you can argue that the atoms lose their individuality. They collectively behave like matter wave, like matter wave analogue to laser light. And many intriguing things have since been done with such Bose-Einstein condensates. One thing that is intriguing people right now quite a bit is that you can put ultra cold atoms, Bose-Einstein condensates into a lattice of laser tweezers created by interfering laser beams. And in 2002 we published a paper on a phase transition from a wave-like Bose-Einstein condensate at super fluid state, where the atoms are delocalised over this lattice to a particle-like, crystal-like insulated state. So you have an egg carton made by laser light, you turn up the intensity and at the critical intensity the atoms suddenly behave like particles, they form a crystal in each potential well, you might have precisely one atom. Then you turn the intensity of the laser light down again, this crystal melts and you get back your spooky Bose-Einstein condensate. So this example of some phenomenon of interest to condense metaphysics realised is called atoms in lattice potential, people are now, world wide are on a mad dash to make light crystals with the intention to simulate quantum phenomena in condensed metaphysics. The idea is that maybe in slow motion under very well controlled conditions you could begin to understand how antiferromagnetism comes about, how height temperature superconductors might work. So it’s an intriguing field of low energy quantum physics. In the beginning to make a Bose-Einstein condensate was a lot of work. This is a picture from the laboratory of Wolfgang Ketterle at MIT, it still looks about like this. So you have a massive set up, the magnetic trap to hold the atoms is fairly massive, you have to send large currents through there but in principle now you can also have much easier life by going to smaller dimensions. You can take advantage of the fact that a thin wire that carries some current, that that can have very high magnetic fields and very high gradients if you come close to the wire. And to trap atoms you need a local minimum of the magnetic field, you can realise this by having a thin wire on some kind of substrate and adding a constant homogeneous magnetic field from the outside. And at some distance from the wire the 2 fields cancel, you have a local minimum, you have a radial quadruple field and at that location you can indeed trap atoms. And you can essentially make a linear wave guide for ultra cold atoms. If you bend your wire to a U you have a trap, the magnetic field of these leads repels atoms as they come close to the corner so they are really held. Or if you make such an S-shaped wire, you have the analogue of a Ioffe-Pritchard trap. You have radial quadruple field made by this piece of the wire and you have essentially pinch coils that confine the atoms. These Ioffe-Pritchard traps are preferred because you can incline the magnetic field, the bias field a little bit to get a non vanishing magnetic field everywhere, still you get a minimum but that way you avoid that the spins flip disorderly if the atoms no longer see any guiding field. So it’s easy to make miniaturised traps. At the beginning it was not so easy to actually load cold atoms in there, the work horse for cold atom laboratories is the so called MOT or magneto optical trap where you have 6 circularly polarised cooling laser beams plus 2 coils that make a weak magnetic quadruple field, not to trap the atoms but to steer the radiation pressure through the Zeeman effect, so that atoms that venture out of the centre, that they are pushed back, so it’s a real trap, not just a slowing mechanism. But how to do that close to a solid surface and we introduced the mirror MOT where we have our chip with wires and we put a mirror on top for instance, an aluminum dielectric mirror. And we reflect laser beams and if you figure it out with the circular polarisations you get precisely the right light field configuration as in an ordinary MOT but now close to a mirror surface. And so in that way it’s indeed possible to trap atoms in magnetic traps very close to a surface. Some of you may have, at least the German students, may have seen this picture, it covered a full page of the Süddeutsche Zeitung on June 13 to help celebrate the 850th birthday of the city of Munich. And what it shows is the sketch of some atom optical device using micro fabrication. Not only can you make smaller traps, more easily with less current, but you can combine wave guides traps to make atom optical devices. This was a sketch for an atomic conveyor belt. So the idea is, this elongated Ioffe-Pritchard trap, we also can have a quadruple trap to realise the magneto optical trap but then we add 2 meandering circuit patterns. And if I send a modulated current, cosine of some angle through the bottom loop and sine of some angle through the top loop, I get a potential, modulated magnetic potential along the axis that can move. And it can carry atoms with it. Here is our first atom chip apparatus that implemented such an atom motor, it's about thumb nail sized, aluminum nitrate substrate with copper conductors, the whole thing is mounted upside down on a copper block and in a glass cell and there is some vacuum pump to evacuate it. A rubidium dispenser to create some rubidium vapour and electrical feed to it. And I will show you a little animation that illustrates how such a motor works. So on top we have again the circuit pattern, the dots will dance to indicate how the currents are running. Here are real atoms, these are shadow images of atom clouds, recorded with a CCD camera, now the atoms are very close to the surface. So to take such a picture we let the motor run to a particular position, then we turn off all magnetic fields and let the atoms drop. And for each frame of the movie of course we have to start from scratch, reload, but all of this is done under computer control and one can go and have a cup of coffee and wait till the movie is ready. At the bottom is then the animated magnetic potential, strength of the magnetic field where there’s location and these are buckets that contain low field seeking atoms. So here is the movie, even with some sound, I try to bend down so the microphone might pick up some of the sound, let’s see... So here you see again atom clouds transported by this conveyor belt, normally you get a fairly bumpy ride if you do it as I have described before, by having a steady current for the Ioffe trap and sinusoidal currents through the auxiliary wires but you can optimise the motion so that the atoms don’t get shaken so much by a computer controlling the currents. You can split an atom cloud and let 2 collide so it’s a linear collider. Unfortunately the atomic density is so low that we don’t see any effect of the collisions here. You can start with a reservoir and take spoonfuls of cold atoms out of it. Or if that’s too boring you can send more cold signals with cold atom clouds. Or you can do this, again take spoonfuls of cold atoms out of a cloud and then let the whole thing run backwards and you reunite the cold atoms. Actually splitting a cold atom cloud and reuniting it is intriguing because that smells like interferometry. These are the potentials that our atoms see in our atom motor chip and this wire I didn’t mention before, at right angles which Wolfgang Hänsel put in without knowing what it would be good for, but we quickly found out that this wire makes it possible to split an atom cloud, depending on the current. We either have a single potential well at the end or a double well and so here are pictures that show how you split an atom cloud and reunite it and you can try to do this many times and see whether the atom clouds gets heated and here, so we were proud that there isn’t too much heating. And so one indeed can think of making an interferometer, you could start with atoms in the motional ground state, split such a wave packet and reunite it, if the 2 wave packets don’t suffer any mutual phase shift, if you reunite them they would still be in the vibrational ground state. but if you introduce some phase shift due to acceleration, rotation, external field, then you might end up in the first vibrationally excited state. To do that of course we really need Bose-Einstein condensates, we need all atoms in the same quantum state. And so we were faced with the problem how do you load a Bose-Einstein condensate into an atom tube. And we came up with a crazy idea, why don’t we try to make it right on the atom tube. All the experts would say this cannot work because you need very good pressure, very good vacuum and here we have. Ok some of the letters are invisible, the projector doesn’t show. But we have these pressures of 10 to the minus 9 to 10 to the minus 10 millibar and we can actually shorten the time for evaporative cooling because we can compress the atom cloud so very much from a minute to a fraction of a second. So indeed it is possible to make a Bose-Einstein condensate. And since he made it right around this motor chip, we could try and see if the atoms survive the ride. And so over 1.6 millimetres we can move the Bose-Einstein condensate and then drop it and it doesn’t expand, it stays together. So we still have a Bose-Einstein condensate. To make Bose-Einstein condensates this chip has become fairly simple. Here is Dana Anderson from Bolder who visited our laboratory and he had the idea why don’t we simply glue the chip or the chip carrier as a lid on to a glass cell. Then the problem of electrical feed through is solved and one also can get away with a simple ion pump so one can have a transportable Bose-Einstein condensate machine. At least the vacuum chamber and the pump and he has gone ahead to start a company called ColdQuanta that is now selling little atom chip machines to make Bose-Einstein condensates. You can even design your own chip and they will make it for you. So one can think of having a toy Bose-Einstein condensate machine. So these chips provide an easy and fast way to create Bose-Einstein condensates, they give you exceptionally strong confinement and unlike the big machines, they allow you to design complex potentials and to maybe also study surface interactions as this method is rapidly spreading. On last count, last year there were at least 20 laboratories world wide operating such atom chip Bose-Einstein condensation machines and many more laboratories are gearing up to do the same. Ok the advantage is, it’s easy, it’s fast but there is also a disadvantage that our atoms are very close to a solid surface. We have an atom cloud that may have a temperature of 200 nK just some microns away from a chip surface that typically is at room temperature. And that of course is perhaps bad news for coherence. And if for instance I wanted to make a quantum computer or some device that relies on coherent superpositions of spin states of the atoms, I have to avoid magnetic field fluctuations that are created by the electrons in my metal. And one way to do that is to judiciously choose 2 spin states that react in precisely the same way to external magnetic fields. In a case of rubidium atoms we have 2 hyperfine states, they split many fold. We can choose the 2 red levels F=2, M=1 and F=1, M=-1. They are both trappable, they have both the same magnetic moment at least if you choose a magic magnetic field of 3.2 gauss and it’s precisely the same. And I can create super positions with a microwave field and see whether I can observe Ramsey fringes excite super position and after a while I can get a read out pulse and when I get fringes its an indication that I have not lost the internal coherence. And so at distances of a few microns we have been able to get coherence times close to 3 seconds. Which is encouraging and opens possibilities to make atom interferometers that rely either on external degrees of freedom, on motion or on internal or both, you can have entanglement between spin degrees of freedom and motional degree of freedom. There is one problem, if I choose these 2 states with precisely the same magnetic moment, I cannot make potentials that depend on the internal state, of the spin state because they both react in the same way to magnetic fields. They also react in the same way to optical bipolar forces. So it seems it's difficult for instance to make one kind of potential for one spin state and another for another, except there is a trick, or why would you want to do that. One dream has been to implement a collisional phase gate, a basic gate for quantum logic operations where you have 2 spin states, if the atoms are in the state zero you see a double well potential. If they are in the state one the potential barrier disappears and only if you start with 2 atoms, only if both are in the stage one, does the barrier disappear for both and then they can collide and accumulate a collisional phase shift and you can realise this kind of phase gate. When in the end can implement any kind of quantum logic scheme you might like. But I said it’s difficult to make a spin dependent potential except we can rely on microwave fields and the AC Zeeman effect. So here again our levels are blue, the 2 states we want to work with, and if I apply a microwave field detuned from resonance then it pushes apart the levels. This one is pushed up, this one is pushed down and now I need to find a way to apply the microwave potentials only where I need them, only where the potential barrier is. But if I can do that then, so this would be the state, independent magnetic potential, this would be the microwave potential, then for atoms in the lower spin state I get the double well, for atoms in the upper spin state I get a single well. And to do this I can rely on microwave-near fields, I can implement microwave strip lines, these are things that you use in your mobile phone for instance. But I can make double layered atom chips with an insulating plastic layer in between. And I can implement strip lines that create microwave fields, I can calculate the microwave fields as if they were static fields. And indeed I can make this kind of double well potentials. Here are a few pictures of our present set up, the cell assembly so it’s still using this gluing technique. The entire cell is packaged in some mound with external coils for biosphere fibre optical lines to guide diode laser light to the setup. The whole thing in a magnetic shielding. And we have the very first results on state selective splitting of a Bose-Einstein condensate. So in the first experiments we have not used these 2 red marked states but by selecting the transition by the microwave frequency we have pushed these levels apart. And so only the lower state is effected, it is a different, shifted potential well and indeed so if I create a super position of the 2 states with the microwave pulse and I then create my state selective potential shift, I split my Bose condensate into 2. If it’s only in the upper spin state or in the lower spin state I see a single cloud and by now even if reunited these split clouds and we see interference fringes so indeed we have an atom interferometer on a chip. I see the time is running fast so let me very quickly tell you about experiments, how to detect single atoms. It is easy to detect entire Bose-Einstein condensate but how to detect single atoms. And one nice approach is to use Fabry Pérot interferometer and optical cavity that you can implement with fibre optics. There is a well known puzzle, how would you detect a bomb that goes off if it absorbs one single photon, how would you detect it optically. And one way to do that is to put it into an optical cavity, 2 mirrors and you know that if you choose the mirror spacing right it’s a resonance cavity and resonance photons will go through without losses. But if you put the bomb inside it will spoil this cavity and incoming photons have a high probability of being reflected. So if you get a reflected photon you stop the experiment and say ok there is a bomb inside. Instead of a bomb we can use an atom. So here is an atom chip that has 2 fibre cavities where the dielectric multi layer coatings on the ends, one gets a fairly high finesse. And indeed when atoms pass through there, the transmission drops and so we can detect and count single atoms which is an intriguing starting point for studying correlations. And for playing with quantum physics. So let me come to the conclusions, we’ve seen examples for the interface between atomic physics, optical physics and condensed metaphysics. In atomic physics it is now possible to simulate and study concepts from condensed metaphysics such as Bloch oscillations and what insulator the contour effect, Bose glasses. In condensed metaphysics people are increasingly trying to approach quantum phenomena to realise quantum optical concepts with squids, with cooper pair boxes, with artificial atoms, things like Rabi oscillations, controlled coupling have been observed. And with our atom chips we combine cold atomic systems and condensed meta systems so we have an interface really between cold atoms and electronic devices. I only scratch the surface here, a lot of interactions that one can study, a lot of tricks you can apply, so we essentially only looked at microscopic currents, you can take super conducting circuits, you can take ferromagnetic structures, one can add electrostatic fields, laser fields. One can play with surface acoustic waves, with microwaves. In addition to cold collisions there are Casimer-Polder forces. One can study Pauli exchange forces. And if you think of applications, again unfortunately my choice of colours was poor, I see it perfectly on the screen, on my computer screen but not here. There are a number of devices that we’ve already demonstrated at least as prototypes, atom guides, atom traps, Bose-Einstein condensation on a chip and atom laser on a chip. Integrated atom optics, the atom motor, atom clocks, atom surface probes, atom interferometers. So one can dream on and hope that maybe we can make atom laser gyroscopes, gravimeters, gravity radiometers on a chip. Quantum gates I mentioned, quantum computers. I am myself not so optimistic that we will have a real quantum computer that can factorise large numbers, but definitely we will have quantum simulators. And quantum games are also something one can think of and by letting children play with quantum games they might develop some intuition for quantum physics. So what is spooky and what is normal depends on our everyday experience and portable quantum devices might bring quantum phenomena into the everyday world. I have reached the end and I thank you for your attention.

Liebe Studentinnen und Studenten aus der ganzen Welt, sehr geehrte Gäste, meine Damen und Herren, es ist eine besondere Herausforderung, dieses Symposium mit dem ersten Vortrag zu eröffnen. Da ich nur 30 Minuten Zeit habe, wollen wir gleich zur Sache kommen. Sie haben schon gehört, dass ich nicht über Frequenzkämme sprechen werde; das wird nachher mein Freund John Hall tun. Stattdessen möchte ich Ihnen etwas über eine andere Forschungsrichtung erzählen, die uns große Freude gemacht hat und immer noch macht. Es geht um die Nutzung ultrakalter Atome und die seltsamen Quantenphänomene, die dann auftreten können, wenn man Atome sehr nahe auf den absoluten Nullpunkt abkühlt – etwa für praktische Anwendungen auf einem Mikrochip. Natürlich wissen Sie alle, dass es möglich ist, atomare Gase mit Laserlicht abzukühlen. Steve Chu, Claude Cohen-Tannoudji und Bill Philips, den wir heute ebenfalls noch hören werden, erhielten im Jahr 1997 dafür den Nobelpreis. Im Jahr 2001 ging der Nobelpreis an Eric Cornell, Carl Wieman und Wolfgang Ketterle – für die Bose-Einstein-Kondensation ultrakalter atomarer Gase. Lässt man sehr stark abgekühlte Atome im luftleeren Raum schweben, in einem Vakuum mit einem Magnetfeld, kann man sie durch Verdampfungskühlung weiter abkühlen, indem man Atome, die ein Übermaß an Energie transportieren, entweichen lässt. Auf diese Weise verlieren wir Atome, doch das Gas wird kälter, und man kann es so kalt werden lassen, dass die Wellennatur der Materie bedeutsam wird. Man hat jetzt Wellenpakete anstelle klassischer Teilchen. Bei einer bestimmten kritischen Temperatur beginnen die Wellenpakete benachbarter Atome einander zu überlappen, und man erhält ein Bose-Einstein-Kondensat, einen seltsamen, gespenstischen Zustand der Materie niedrigster Ordnung, von dem man behaupten kann, dass die Atome ihre Individualität verlieren. Im Kollektiv verhalten sie sich wie Materiewellen; wie Materiewellen analog zum Laserlicht. Seither hat man mit solchen Bose-Einstein-Kondensaten viele faszinierende Dinge angestellt. Heute noch ziemlich verblüffend ist die Tatsache, dass man ultrakalte Atome – Bose-Einstein-Kondensate – in ein Gitter aus durch überlagernde Laserstrahlen erzeugten Laserpinzetten bringen kann. Im Jahr 2002 veröffentlichten wir eine Arbeit über einen Phasenübergang aus einem wellenartigen Bose-Einstein-Kondensat im hochflüssigen Zustand, wobei die Atome über diesem Gitter in einen teilchenartigen, kristallartigen isolierten Zustand delokalisiert werden. Man hat also einen aus Laserlicht hergestellten Eierkarton, man erhöht die Intensität, und ist die kritische Intensität erreicht, verhalten sich die Atome plötzlich wie Teilchen, sie bilden ein Kristall, in jeder möglichen Mulde hat man vielleicht genau ein Atom. Dann verringert man die Intensität des Laserlichts wieder, dieses Kristall schmilzt, und man erhält wieder das gespenstische Bose-Einstein-Kondensat. Nachdem dieses Beispiel eines für die Physik der kondensierten Materie interessanten Phänomens Lichtkristalle herzustellen – mit der Absicht, Quantenphänomene in der Physik kondensierter Körper zu simulieren. Dahinter steht die Vorstellung, dass man vielleicht in Zeitlupe, unter sehr gut kontrollierten Bedingungen, zu einem Verständnis darüber kommen kann, wie Antiferromagnetismus entsteht, wie Hochtemperatur-Supraleiter funktionieren könnten. Das ist ein faszinierendes Gebiet der Niedrigenergie-Quantenphysik. Am Anfang war die Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensats mit viel Arbeit verbunden. Hier sehen Sie ein Bild aus dem Labor von Wolfgang Ketterle am MIT, ungefähr so sieht es immer noch aus. Das ist eine enorme Vorrichtung, die magnetische Falle zum Einfangen der Atome ist gewaltig; man muss starke Stromstöße durchschicken. Mittlerweile kann man sich das Leben leichter machen, indem man die Dimensionen verkleinert. Man kann sich die Tatsache zunutze machen, dass ein dünner Draht, der etwas Strom leitet, sehr starke Magnetfelder und sehr hohe Gradienten aufweisen kann, wenn man sich nahe am Draht befindet. Zum Einfangen von Atomen benötigt man ein lokales Minimum des Magnetfeldes. Das stellt man her, indem man einen dünnen Draht auf einen Trägerstoff beliebiger Art aufbringt und von außen ein konstantes, homogenes Magnetfeld hinzufügt. In einer bestimmten Entfernung vom Draht heben sich die zwei Felder auf, und man erhält ein lokales Minimum, ein vierfaches radiales Feld. An dieser Stelle kann man tatsächlich Atome einfangen. Und grundsätzlich kann man einen linearen Wellenleiter für ultrakalte Atome herstellen. Biegt man den Draht zu einem U, hat man eine Falle. Das Magnetfeld dieser Leitungen stößt Atome ab, wenn sie sich der Biegung nähern; sie werden also tatsächlich festgehalten. Oder man macht solch einen S-förmigen Draht; dann hat man die Entsprechung einer Ioffe-Pritchard-Falle. Man hat ein von diesem Teil des Drahts erzeugtes vierfaches radiales Feld. Dabei handelt es sich im Grunde um nichts anderes als Klemmspulen, welche die Atome einsperren. Diese Ioffe-Pritchard-Fallen werden bevorzugt, da man das Magnetfeld, das geneigte Feld, ein wenig neigen kann, um überall ein nicht verschwindendes Magnetfeld zu erhalten. Man erhält immer noch ein Minimum, doch auf diese Weise vermeidet man, dass die Spins unordentlich herumsausen, wenn die Atome kein Führungsfeld mehr wahrnehmen. Es ist also nicht schwer, Miniaturfallen herzustellen. Zuerst war es nicht so einfach, tatsächlich kalte Atome dort hineinzuverfrachten. Das Arbeitstier der Kaltatom-Labore ist die so genannte magneto-optische Falle (englisch: magneto optical trap, kurz MOT) mit sechs zirkulär polarisierten, kühlenden Laserstrahlen sowie zwei Spulen, die ein schwach magnetisches vierfaches Feld erzeugen – nicht um die Atome einzufangen, sondern um den Strahlungsdruck durch den Zeeman-Effekt so zu steuern, dass Atome, die sich aus dem Zentrum herauswagen, zurückgestoßen werden. Es handelt sich also um eine richtige Falle, nicht nur um einen Verzögerungsmechanismus. Doch wie macht man das nahe an einer festen Oberfläche? Dazu führten wir die Spiegel-MOT ein – wir nehmen unseren Chip mit den Drähten, bringen an der Oberseite einen Spiegel an, zum Beispiel einen dielektrischen Aluminiumspiegel, und reflektieren Laserstrahlen. Wenn man sich das ausrechnet, erhält man mit der zirkulären Polarisation genau die richtige Lichtfeldkonfiguration Auf diese Weise ist es also tatsächlich möglich, Atome in magnetischen Fallen sehr nahe an einer Oberfläche einzufangen. Einige von Ihnen – jedenfalls die, die in Deutschland studieren – haben vielleicht dieses Bild schon einmal gesehen. Am 13. Juni nahm es eine ganze Seite der Süddeutschen Zeitung ein, zur Feier des 850. Jahrestags der Stadt München. Es zeigt die Skizze eines atomoptischen Geräts, das in der Mikroherstellung verwendet wird. Man kann nicht nur kleinere Fallen herstellen, einfacher, mit weniger Strom Das war die Skizze eines atomaren Förderbands. Dahinter steht die Idee, dass diese lang gezogene Ioffe-Pritchard-Falle… wir können die magneto-optische Falle auch mit einer Vierfachfalle herstellen, doch dann fügen wir zwei gewundene Schaltkreismuster hinzu. Wenn ich dann einen modulierten Strom hindurchschicke – Cosinus eines bestimmten Winkels durch die untere Schleife, Sinus eines bestimmten Winkels durch die obere Schleife – dann erhalte ich entlang der Achse ein moduliertes magnetisches Potential, das sich bewegen kann. Und es transportiert Atome. Hier ist unser erster Atomchip-Apparat, in dem solch ein Atommotor eingesetzt wurde. Er ist etwa so groß wie ein Daumennagel, Aluminiumnitrat-Substrat mit Kupferleitern. Das Ganze ist mit der Oberseite nach unten in einer Glaszelle auf einem Kupferblock angebracht; es wird mit einer Vakuumpumpe luftleer gemacht. Ein Rubidium-Verteiler, der etwas Rubidiumdampf erzeugt, wird von elektrischen Leitungen gespeist. Ich zeige Ihnen eine kleine Animation, die verdeutlicht, wie so ein Motor funktioniert. Oben sehen wir wieder das Schaltkreismuster; die Punkte springen hin und her, um anzuzeigen, wie der Strom verläuft. Hier sind echte Atome – es sind Schattenbilder von Atomwolken, aufgenommen mit einer CCD-Kamera. Die Atome befinden sich sehr nahe an der Oberfläche. Um ein derartiges Bild aufzunehmen, lassen wir den Motor bis zu einer bestimmten Position laufen; dann schalten wir alle Magnetfelder ab und lassen die Atome frei. Für jedes Einzelbild des Films müssen wir natürlich von vorne beginnen und alles neu aufnehmen, doch all das geschieht computergesteuert – man kann eine Kaffeepause einlegen und warten, bis der Film fertig ist. Unten sehen wir dann das animierte magnetische Potential, die Stärke des Magnetfeldes und seinen Standort. Das hier sind Behälter, die Atome auf der Suche nach einem Niederfeld enthalten. Hier ist also der Film, sogar mit etwas Ton. Ich bücke mich ein bisschen, damit das Mikrofon etwas von dem Ton einfängt. Mal sehen… (Film wird angespielt.) Hier sehen Sie wieder von diesem Förderband transportierte Atomwolken. Normalerweise wird es eine sehr holprige Fahrt, wenn man es so macht, wie ich es gerade beschrieben habe Man kann aber die Bewegung optimieren, so dass die Atome von einem die Ströme steuernden Computer nicht so stark durchgeschüttelt werden. Man kann eine Atomwolke spalten und die beiden Teile miteinander kollidieren lassen; es handelt sich also um einen Linearbeschleuniger. Leider ist die atomare Dichte so niedrig, dass wir hier keine Auswirkungen der Kollisionen erkennen können. Man kann mit einem Reservoir beginnen und löffelweise kalte Atome herausnehmen. Wenn das zu langweilig ist, kann man auch noch mehr kalte Signale mit kalten Atomwolken aussenden. Oder man kann Folgendes tun: Man nehme erneut löffelweise kalte Atome aus einer Wolke und lasse das Ganze rückwärts laufen; dann bringe man die kalten Atome wieder zusammen. Die Spaltung und Wiedervereinigung einer kalten Atomwolke ist in der Tat faszinierend, denn das riecht ein bisschen nach Interferometrie. Das sind die Potentiale, die es für unsere Atome in unserem Atommotorchip gibt. Diesen rechtwinkligen Draht habe ich noch nicht erwähnt… Wolfgang Hänsel setzte ihn ein, ohne zu wissen, wofür er gut sein würde, doch wir fanden schnell heraus, dass es mit diesem Draht – je nach Stromstärke – möglich ist, eine Atomwolke zu spalten. Am Ende haben wir entweder eine einzige mögliche Mulde oder eine doppelte Mulde. Diese Bilder zeigen, wie man eine Atomwolke spaltet und wieder vereinigt. Man kann das viele Male versuchen und herausfinden, ob sich die Atomwolken erwärmen. Wir waren stolz darauf, dass es nicht zu viel Erwärmung gibt. Man kann also tatsächlich auf die Idee kommen, einen Interferometer herzustellen Falls die beiden Wellenpakete bei der Wiedervereinigung keine wechselseitige Phasenverschiebung durchmachen, würden sie sich noch immer im Vibrationsgrundzustand befinden. Lässt man es jedoch – aufgrund der Beschleunigung, der Rotation, wegen eines externen Felds – zu einer Phasenverschiebung kommen, wird man möglicherweise im ersten angeregten Vibrationszustand enden. Dazu brauchen wir natürlich unbedingt Bose-Einstein-Kondensate; wir brauchen alle Atome im selben Quantenzustand. Damit wurden wir mit dem Problem konfrontiert, wie man ein Bose-Einstein-Kondensat in einen Atomchip bringt. Und wir hatten eine ganz verrückte Idee: Warum versuchen wir nicht einfach, es direkt am Atomchip zu erzeugen? Die Fachwelt war sich einig: Das kann nicht funktionieren, weil man sehr viel Druck braucht, ein sehr gutes Vakuum. Und hier sehen wir… na ja, einige Buchstaben und Zahlen sind unsichtbar, der Projektor zeigt kein Rot. Doch wir haben einen Druck von 10^-9 bis 10^-10 mbar, und weil wir die Atomwolke sehr stark komprimieren können, sind wir in der Lage, die für die Verdampfungskühlung benötigte Zeit von einer Minute auf den Bruchteil einer Sekunde zu verkürzen. Es ist also tatsächlich möglich, ein Bose-Einstein-Kondensat herzustellen. Und da wir es direkt an diesem Motorchip erzeugt hatten, konnten wir überprüfen, ob die Atome die Fahrt überlebt hatten. Wir können also das Bose-Einstein-Kondensat 1,6 Millimeter weit bewegen und es dann freilassen Wir haben also immer noch ein Bose-Einstein-Kondensat. Die Herstellung von Bose-Einstein-Kondensaten mit dem Chip ist mittlerweile ziemlich einfach. Hier sehen Sie Dana Anderson aus Boulder; als er unser Labor besuchte, hatte er eine Idee: Warum kleben wir nicht einfach den Chip oder den Chipträger als Deckel auf eine Glaszelle? Dann ist das Problem der elektrischen Durchführung gelöst. Außerdem kann man mit einer einfachen Ionenpumpe auskommen und hat damit ein tragbares Bose-Einstein-Kondensat-Gerät. Zumindest die Vakuumkammer und die Pumpe. Er gründete ein Unternehmen namens ColdQuanta, das heute kleine Atomchip-Geräte zur Herstellung von Bose-Einstein-Kondensaten verkauft. Sie können sogar Ihren eigenen Chip entwerfen, und das Unternehmen produziert ihn für Sie. Man kann also darüber nachdenken, sich ein Bose-Einstein-Kondensat-Gerät als Spielzeug anzuschaffen. Diese Chips bieten eine einfache und schnelle Möglichkeit, Bose-Einstein-Kondensate zu erzeugen. Man erhält einen außerordentlich starken Einschluss, und im Gegensatz zu den großen Maschinen ermöglichen sie die Entwicklung komplexer Potentiale und vielleicht auch die Untersuchung von Oberflächen-Wechselwirkungen, denn diese Methode breitet sich sehr schnell aus. Letztes Jahr gab es weltweit mindestens 20 Labore, die derartige Atomchip-Bose-Einstein-Kondensierungsgeräte betrieben, und viele weitere Labore ziehen nach. Der Vorteil liegt auf der Hand: Es ist einfach und es ist schnell. Doch es gibt auch einen Nachteil: Unsere Atome befinden sich sehr nahe an einer festen Oberfläche. Eine Atomwolke, deren Temperatur vielleicht 200 nK beträgt, ist nur ein paar Mikrometer von einer Chip-Oberfläche entfernt, die normalerweise Raumtemperatur aufweist. Und das ist möglicherweise schlecht für die Kohärenz. Wenn ich zum Beispiel einen Quantencomputer herstellen möchte oder irgendein sonstiges Gerät, das auf kohärente Überlagerungen von Spin-Zuständen der Atome angewiesen ist, muss ich vermeiden, dass die Elektronen in meinem Metall Magnetfeldfluktuationen erzeugen. Eine Möglichkeit, das zu erreichen, besteht darin, sorgfältig zwei Spin-Zustände auszuwählen, die auf externe Magnetfelder in genau gleicher Weise reagieren. Im Fall eines Rubidium-Atoms haben wir zwei Hyperfeinzustände, die sich mehrfach spalten lassen. Wir können die beiden roten Zustände wählen, F=2, M=1 und F=1, M=-1. Beide lassen sich einfangen, sie haben beide das gleiche magnetische Moment – jedenfalls dann, wenn man ein magisches Magnetfeld von 3,2 Gauß wählt, das ist genau das Gleiche ob man die Anregung der Überlagerung durch Ramsey-Fringes beobachten kann. Nach einer Weile kann man den Impuls ablesen. Wenn man Fringes erhält, ist das ein Anzeichen dafür, dass man die interne Kohärenz nicht verloren hat. Und so konnten wir auf Entfernungen von ein paar Mikrometern Kohärenzzeiten von annähernd drei Sekunden erzielen. Das ist ermutigend und eröffnet Möglichkeiten der Herstellung von Atom-Interferometern, die sich entweder auf externe Freiheitsgrade – auf Bewegung – oder auf interne oder beide stützen. Man kann eine Verschränkung von Spin-Freiheitsgraden und Bewegungsfreiheitsgraden erhalten. Dabei gibt es ein Problem. Wenn ich diese beiden Zustände mit genau dem gleichen magnetischen Moment wähle, kann ich keine Potentiale erzeugen, die vom internen Status, vom Spin-Status abhängen, denn beide reagieren auf Magnetfelder in gleicher Weise. Auch auf optische Dipolkräfte reagieren sie gleich. Es erscheint also schwierig, zum Beispiel eine Art von Potential für einen Spin-Zustand zu erzeugen und eine andere für einen anderen Zustand, aber es gibt einen Trick. Warum ist das überhaupt wünschenswert? Man träumte von einem kollisionalen Phasengatter, einem grundlegenden Gatter für quantenlogische Operationen, bei dem es zwei Spin-Zustände gibt. Wenn sich die Atome im Zustand null befinden, sieht man das Potential einer doppelten Mulde. Wenn sie sich im Zustand eins befinden, verschwindet die Potentialbarriere, und nur wenn man mit zwei Atomen beginnt und sich beide im Zustand eins befinden, verschwindet die Barriere für beide. Dann können sie kollidieren und eine kollisionale Phasenverschiebung akkumulieren, und man kann diese Art von Phasengatter realisieren. Am Ende kann man jedes gewünschte Logiksystem errichten. Doch ich habe gesagt, dass es schwierig ist, ein spin-abhängiges Potential zu erzeugen – es sei denn, wir können auf Mikrowellenfelder und den Zeeman-Effekt zurückgreifen. Unsere Stufen sind hier wieder blau dargestellt, die beiden Zustände, mit denen wir arbeiten wollen, und wenn ich ein gegenüber der Resonanz verstimmtes Mikrowellenfeld einsetze, drückt es die Zustände auseinander. Der hier wird nach oben gedrückt, der hier nach unten. Jetzt muss ich einen Weg finden, die Mikrowellen-Potentiale nur dann einzusetzen, wenn ich sie brauche – nur dort, wo die Potentialbarriere ist. Wenn ich das schaffe – das hier ist der Zustand, das unabhängige magnetische Potential; das ist das Mikrowellen-Potential – dann erhalte ich für Atome im niedrigeren Spin-Zustand die doppelte Mulde, und für Atome im oberen Spin-Zustand erhalte ich eine einzelne Mulde. Um das zu erreichen, kann man auf Mikrowellennahfelder zurückgreifen. Man kann Mikrowellen-Streifenleitungen einsetzen – das sind Dinge, die zum Beispiel in Handys verwendet werden. Man kann aber auch zweilagige Atomchips mit einer isolierenden Plastikschicht zwischen den Lagen herstellen. Und man kann Mikrowellenfelder erzeugende Streifenleitungen einsetzen; man kann die Mikrowellenfelder so berechnen, als ob sie statische Felder wären. Man kann tatsächlich diese Art von Doppelmulden-Potentialen erzeugen. Hier sehen Sie ein paar Bilder von unserem derzeitigen Aufbau, dem Aufbau der Zelle. Es wird immer noch diese Klebetechnik angewandt. Die ganze Zelle befindet sich an einer Halterung mit externen Spulen für zweiadrige Glasfaserleitungen, die das Diodenlaserlicht zum Aufbau lenken. Es handelt sich dabei um eine magnetische Abschirmung. Und wir können schon die allerersten Resultate für die zustandsabhängige Spaltung eines Bose-Einstein-Kondensats präsentieren. Bei den ersten Experimenten haben wir diese zwei rot markierten Zustände nicht verwendet; vielmehr drückten wir diese Stufen auseinander, indem wir den Übergang nach Mikrowellenfrequenz wählten. Deshalb ist nur der niedrigere Zustand betroffen; es handelt sich um eine andere, verschobene Potentialmulde. Und tatsächlich: Stellt man eine Überlagerung der beiden Zustände mit dem richtigen Mikrowellen-Impuls her und erzeugt dann die zustandsabhängige Potentialverschiebung, spaltet man das Bose-Einstein-Kondensat in zwei Teile. Wenn es sich nur im oberen oder nur im unteren Spin-Zustand befindet, erkennt man eine einzelne Wolke, und nun, selbst nach einer Wiedervereinigung, diese gespaltenen Wolken… man sieht Interferenzstreifen; wir haben also in der Tat einen Atom-Interferometer auf einem Chip. Die Zeit vergeht schnell. Lassen Sie mich in aller Kürze von Experimenten zum Nachweis einzelner Atome berichten. Das Aufspüren ganzer Bose-Einstein-Kondensate ist einfach, aber wie findet man einzelne Atome? Eine elegante Methode ist die Verwendung eines Fabry Pérot-Interferometers – eines optischen Resonators, den man mit Glasfasern ausstatten kann. Es gibt dieses wohlbekannte Rätsel: Wie entdeckt man eine explodierende Bombe, wenn sie ein einzelnes Photon absorbiert; wie würde man sie optisch wahrnehmen? Eine Möglichkeit besteht darin, sie in einen optischen Resonator mit zwei Spiegeln zu stecken. Man weiß: Wenn der Abstand zwischen den Spiegeln richtig gewählt ist, handelt es sich um einen Resonanzraum, und resonante Photonen gehen ohne Verluste durch. Steckt man jedoch die Bombe hinein, zerstört sie diesen Resonanzraum, und eintreffende Photonen werden mit hoher Wahrscheinlichkeit reflektiert. Wenn man also ein reflektiertes Photon erhält, beendet man das Experiment und sagt: OK, da drin ist eine Bombe. Statt einer Bombe kann man auch ein Atom verwenden. Hier haben wir einen Atomchip, der zwei Faserräume mit dielektrischen, mehrlagigen Beschichtungen an den Enden aufweist; damit erhält man eine sehr hohe Güte. Und tatsächlich: Wenn die Atome dort durchkommen, setzt die Übertragung aus; wir können einzelne Atome erkennen und zählen. Das ist ein faszinierender Ausgangspunkt für die Untersuchung von Korrelationen. Und für quantenphysikalische Spielereien. Ich komme zum Schluss. Wir haben Beispiele für die Schnittstelle zwischen Atomphysik, optischer Physik und der Physik der kondensierten Materie gesehen. In der Atomphysik ist es mittlerweile möglich, Konzepte aus der Physik der kondensierten Materie – wie etwa Bloch-Oszillationen, den Mott-Isolator, den Kondo-Effekt, die Bose-Glas-Phase – zu simulieren und zu untersuchen. In der Physik der kondensierten Materie versucht man mehr und mehr, Quantenphänomene zur Realisierung quantenoptischer Konzepte heranzuziehen auch kontrolliertes Verbinden wurde beobachtet… mit unseren Atomchips kombinieren wir kalte atomare Systeme mit Systemen kondensierter Materie. Es gibt also tatsächlich eine Schnittstelle zwischen kalten Atomen und elektronischen Geräten. Ich kratze hier nur an der Oberfläche. Sie können zahlreiche Wechselwirkungen untersuchen, viele Tricks anwenden… wir haben uns im Wesentlichen nur mit mikroskopischen Strömen beschäftigt. Sie können supraleitende Schaltkreise dazu nehmen, ferromagnetische Strukturen, elektrostatische Felder, Laserfelder. Man kann mit akustischen Oberflächenwellen oder mit Mikrowellen spielen. Neben den kalten Kollisionen gibt es Casimir-Polder-Kräfte. Man kann Pauli-Wechselkräfte untersuchen. Was die Anwendungen betrifft… leider habe ich die Farben wieder schlecht gewählt; auf dem Bildschirm, auf meinem Computer-Bildschirm sehe ich alles einwandfrei, aber nicht hier. Es gibt eine Vielzahl von Geräten, die wir zumindest als Prototypen vorgestellt haben der Atommotor, Atomuhren, Atom-Oberflächensonden, Atom-Interferometer… man kann also weiterträumen und hoffen, dass wir irgendwann einmal Atomlaser-Gyroskope, Gravimeter, Schwerkraft-Radiometer auf einem Chip herstellen können. Quantengatter habe ich erwähnt. Quantencomputer… ich selbst bin nicht so optimistisch, dass es einmal einen echten Quantencomputer, der große Zahlen zerlegen kann, geben wird, aber ganz bestimmt wird es Quanten-Simulatoren geben. Auch an Quantenspiele kann man denken – gibt man Kindern Quantenspiele an die Hand, entwickeln sie vielleicht so etwas wie ein Gespür für Quantenphysik. Was gespenstisch und was normal ist, hängt von unserer Alltagserfahrung ab. Tragbare Quantengeräte könnten Quantenphänomene zu einer Alltagserfahrung werden lassen. Ich bin am Ende angelangt und bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit.

Theodor Hänsch (2008)

Towards a Quantum Laboratory on a Chip

Theodor Hänsch (2008)

Towards a Quantum Laboratory on a Chip

Abstract

Microfabricated magnetic traps, waveguides, and other elements for the manipulation of ultracold atoms can be combined to form a quantum laboratory on a chip. Devices such as miniaturized atom lasers, atom interferometers, and atomic clocks have been implemented in this way. Atom chips are also offering intriguing perspectives for quantum simulations and quantum information processing. Recent experiments at Munich will be reviewed.

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