Correlations and Counting Statistics of an Atom Laser

Abstract

Die Experimente, die im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelt und durchgeführt wurden, realiseren kontinuierliche Atomlaser von unerreichter Stabilität und messen deren Intensitätsfluktuationen mit Hilfe von zeitaufgelöster Einzelatomdetektion durch quantisierte Lichtfelder in einem optischen Resonator.Unter Verwendung der experimentellen Technik von Teilchenkorrelationen,welche auf Hanbury Brown und Twiss zurückgeht,untersuchen wir die Kohärenzeigenschaften des Atomlasers, In dem wir die Korrelationsfuntkionenhöherer Ordnung und sogar die komplette Zählstatistik aufnehmen, zeigen wir die Kohärenz des Atomlasers im Sinne der Definition von Glaubers Quantentheorie der Kohärenz. Wir finden keine überschüssigen Korrelationen in den Korrelationsfunktionen zweiter und dritter Ordnung und bestätigen, dass der Atomlaser durch einen kohärenten Zustand, welcher einer Poisson verteilten Teilchenstatistik gehorcht, beschrieben wird. Die Resultate für den Atomlaser stehen im Kontext zu den Messungen an pseudothermischen Atomstrahlen, welche Anhäufelung zeigen und eine Böse Einstein Verteilung der Teilchen aufweisen. Ebenfalls beschrieben wird der konzeptionellneuartige Apparat, in dem wir die experimentelle Vereinigung von einem optischen Resonator höchster Güte mit quantenentarteten atomaren Gasen erreichen. Die Verwendung eines in sich geschlossenen,austauschbaren "Wissenschaftsmoduls" gewährt geräumigen Zugang zum Böse - Einstein Kondensate und dem Atomlaser für unterschiedliche Proben und Analyse methoden. Wir produzieren 87Rb Kondensatevon 2 • 106 Atomen und erzeugen extrem stabile Atomlasermittels Radiofrequenzauskopplung. Der Atomlaser wird in die Mode des optischen Fabry Perot Resonators gerichtet, welcher sich 36 mm unterhalb des Kondensates befindet und über ein utrahoch vakuumtaugliches Vibrationsisolierungssystemin dem Wissenschaftsmodul integriert ist. Der Resonator mit einer Finesse von 3 • 105 arbeitet im Bereich starker Kopplung zwischen Atom und Lichtfeld und ermöglicht dadurch den Einzelnachweis von Atomen aus einer quantenentarteten Quelle. Die hohe Detektionseffizienz von ca. 25% für diese Atome zeichnet ihn als empfindliche und dadurch minimalinvasive, zeitaufgelöste Messmethode für ultrakalte atomare Gase aus. Das Leistungsvermögung wird beschrieben und charakterisiert durch Einzelatom nachweise für thermische und quantenentartete Atomgase. Dieser experimentelle Aufbau ermöglicht uns kohärente Atomoptik auf Einzelteilchenniveaus zu studierenund dadurch das neuartige Forschungsgebiet der Quantenatomoptik weiterzuentwickeln. The experiments developed and performed within the scope of this thesis realize continuous atom lasers of superior stability and measure their intensity fluctuations by time resolved Single atom counting using cavity QED methods. By employing particle correlation measurements of the Hanbury Brown Twiss technique we investigate the coherence properties of the atom laser. We proof the coherence of atom lasers in the sense of Glauber's definition of the quantum theory of coherence by measuring higher order correlations and even the full counting statistics. We find the absence of any correlations in the second and third Order correlation function and confirm that the atom laser represents a coherent state with a Poissonian atom number distribution. These findings are contrasted with measurements on pseudo-thermal atomic beams that exhibit bunching and a Böse - Einstein distribution of particles. The conceptually novel apparatus in which we achieve the experimental integration of an ultrahigh finesse optical cavity with quantum degenerate atomic gases is also presented and characterized. It grants large scale spatial access to the Böse Einstein condensate and the atom laser for divers samples and probes via a modular and exchangeable "science platform". We produce 87Rb condensates of 2 • 106 atoms and generate ultra stable continuous atom lasers by radio frequency output coupling, The atom laser is directed into the mode of an optional Fabry - Perot cavity which is situated 36mm below the condensate. It is mounted on the science platform by means of an ultrahigh vacuum compatible Vibration isolation system. The cavity of finesse 3 ¦ 105 works in the strong coupling regime of cavity QED and serves as a quantum optical detector for single atoms from the quantum degenerate source. The high detection efficiency (~ 25%) for quantum degenerate atoms distinguishes the cavity as a sensitive,time resolved and weakly invasive probe for ultra cold atomic clouds. The performance of the setup is presented and characterized by Single atom detection measurements for thermal and quantum degenerate atomic gases. This system enables us to study coherent atom optics on a single particle level and to further develop the new field of quantum atom optics.