[논문 리뷰] Experimental realization of double Bragg diffraction: robust beamsplitters, mirrors, and interferometers for Bose-Einstein condensates

J. Küber, F. Schmaltz외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 29.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 단일 빔 경로 구성을 사용하여 반사된 수직 편광된 빛을 이용해 세 개의 운동량 상태 ($|0\hbar k\rangle$, $|\pm 2\hbar k\rangle$) 간의 위상 일관성 있는 결합을 이루는 양자역학적 비틀림을 이용한 보즈아인스타인 응축기(BECs)에서 이중 브라그 산란의 첫 실험적 실현을 제시한다. 이는 99%에 이르는 효율의 빔 스플리터를 구현하고, 단계 조절된 간섭 무늬를 통한 라마르 타입 간섭계를 구현함으로써 이중 브라그 산란이 물질파 간섭계의 강력하고 확장 가능한 도구로 자리매김함을 보여준다.

ABSTRACT

We present the experimental implementation of double Bragg diffraction of Bose-Einstein condensates (BECs) as proposed in [E. Giese, A. Roura, G. Tackmann, E. M. Rasel, and W. P. Schleich, Phys. Rev. A extbf{88}, 053608 (2013)]. We excite Rabi oscillations between the three coupled momentum states $\left| 0 \hbar k ight angle$ and $\left| \pm 2 \hbar k ight angle$. By selecting appropriate interaction times we generate highly efficient beamsplitters and mirrors for Bose-Einstein condensates. In addition, we demonstrate higher-order double Bragg diffraction and display beamsplitters with up to $ \pm 6 \hbar k$ momentum transfer. We compare double Bragg diffraction to several other experimental realizations of beamsplitters. Finally, we show that double Bragg diffraction is well suited for matter wave interferometry by realizing a Ramsey-type interferometer in a quasi one-dimensional waveguide.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자 및 BECs에서 전통적인 빔 스플리터의 대안으로 강력한 이중 브라그 산란을 실험적으로 증명하는 것.
• 물질파 간섭계를 위한 고효율, 대칭적인 운동량 상태 결합을 달성하는 것.
• 효율성, 복잡성, 제어 능력 측면에서 이중 브라그 산란을 다른 방법(세 주파수 브라그, 정적 격자)과 비교하는 것.
• 이중 브라그 산란을 이용해 위상 민감 측정을 위한 라마르 타입 간섭계를 구현하고 검증하는 것.
• 이중 브라그 산란을 이용해 고차항 산란(최대 $\pm 6\hbar k$)을 제어적으로 달성하고 이론 예측을 실험적으로 검증하는 것.

제안 방법

• 이중 브라그 산란은 주파수 오프셋 $\Delta\omega$가 있는 두 개의 수직 편광된 빛을 사용하여 반사된 레이저 빔을 이용해 반사판과 반사판을 통해 반사된 빛을 이용해 두 개의 반대 방향으로 진행하는 이동하는 광학 격자를 형성함으로써 실현된다.
• 시스템은 효과적인 라비 주파수 $\Omega_{\text{eff}}$에 의해 제어되는 라비 진동 메커니즘을 통해 세 개의 운동량 상태 $|0\hbar k\rangle$, $|+2\hbar k\rangle$, $|-2\hbar k\rangle$ 간의 결합을 가능하게 한다.
• 이론적 동역학은 평균화 방법을 사용하여 모델링되며, 이는 운동량 상태 간의 인코herent 인구 이동을 기술하는 시간 진화 행렬을 도출한다.
• 파ul스 시퀀스에 $\pi/2$ 펄스를 적용하여 파동패킷의 위상과 공간적 분리를 제어하는 인코herent 초위상 상태를 생성한다.
• 변동 가능한 지연 시간 $T$ 후에 투과된 파동패킷의 간섭 무늬를 흡수 영상으로 측정함으로써 두 가지 다른 간격을 가진 간섭 무늬를 관측한다.
• 간섭계 측정의 위상 일관성을 향상시키기 위해 시스템은 횡방향 운동을 억제하고자 준일차원 웨이브가이드에서 작동한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 입력 빔 경로를 사용하여 BEC에서 이중 브라그 산란을 고효율성과 강성으로 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ2 이중 브라그 산란의 효율성과 정밀도는 세 주파수 브라그 산란 및 정적 격자 방식과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 이중 브라그 산란을 통해 고차항 운동량 전달(최대 $\pm 6\hbar k$)을 제어적으로 달성할 수 있는가?
• RQ4 이중 브라그 산란을 이용해 측정 가능한 위상 민감 간섭 무늬를 가진 라마르 타입 물질파 간섭계를 실현할 수 있는가?
• RQ5 간섭계의 주요 불완전성 원인은 무엇이며, 이는 무늬의 명암도와 간격에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실험은 첫 번째 차수의 이중 브라그 산란에서 최대 99%의 복합 효율을 달성하여 원자들을 $|\pm 2\hbar k\rangle$ 운동량 상태로 이동시켰다.
• 두 번째 차수 산란은 $|\pm 4\hbar k\rangle$ 상태에서 77%의 효율을 기록했으며, 나머지 원자들은 $|\pm 2\hbar k\rangle$ 상태에 분포했다.
• 세 번째 차수 산란은 원자들 중 74%를 $|\pm 6\hbar k\rangle$ 상태로 이동시켰고, 잔여 원자들은 낮은 운동량 상태에 분포했다.
• 라마르 타입 간섭계는 두 가지 다른 간섭 주기(상대 운동량 $\Delta p = 2\hbar k$ 및 $\Delta p = 4\hbar k$)를 가진 세 피크 밀도 분포를 생성하여 인코herent 초위상 상태의 존재를 확인했다.
• 간섭 무늬에 대한 피팅 결과는 파동패킷 간 거리 $\Delta x(\Delta p)$에 기반한 이론적 예측과 일치하여 위상 제어의 유효성을 검증했다.
• 이중 브라그 산란은 세 주파수 브라그 또는 정적 격자 방식보다 더 강성 있고 효율적이며, 더 단순한 구조와 더 나은 확장성으로 인해 유리하다는 것이 밝혀졌다.