Diffractive dark-ground imaging of ultra-low atom-numbers in a MOT

Abstract

In this work, the theoretical principles of laser cooling and magneto-optical trapping are presented, and the magneto-optical trap (MOT) of the experiment is characterized for the loading and loss rates. By using uorescence imaging, single atom resolution is achieved in the MOT. The theory of di_ractive dark-ground imaging is presented, along technical considerations for the implementation of the technique. Imaging techniques of high sensitivity and resolution are vital to the study of the quantum phenomena inherent with cold atom ensembles and in the interactions between single particles. We implement di_ractive dark-ground imaging as a sensitive technique to detect small cold atomic samples at very low optical densities prepared in a MOT. The originally achieved single atom resolution in the MOT by uorescence imaging allows for the calibration of the atom number measured with uorescence imaging, which is used as a reference to the atom number measured with di_ractive dark-ground imaging. The di_ractive dark-ground technique is used to image free expanding atom clouds released from a MOT of atom numbers down to 100 and optical densities down to 0.01 at an exposure time of 100 _s. The same technique applied on a BEC setup has resulted in the detection of atom numbers down to 7 atoms at the same range of optical densities, and it displays an improvement to the signal to noise ratio of a factor of 10 compared to classical absorption imaging.

Στη παρούσα διατριβή παρουσιάζονται οι αρχές της οπτικής ψύξης και της μαγνητοοπτικής παγίδευσης, και γίνεται χαρακτηρισμός της μαγνητοοπτικής παγίδας (ΜΟΤ) για τους ρυθμούς επαύξησης και απωλιών αυτής. Με απεικόνιση φθορισμού επιτυγχάνεται ο εντοπισμός ενός ατόμου στην ΜΟΤ. Παρουσιάζεται η θεωρία για την περιθλαστική απεικόνιση σκοτεινού πεδίου μαζί με τεχνικούς προβληματισμούς για την υλοποίηση αυτής. Τεχνικές απεικόνισης υψηλής ευαισθησίας και ανάλυσης παρουσιάζουν μεγάλη χρησιμότητα στην μελέτη των κβαντικών φαινομένουν που εμφανίζονται στα σύνολα ατόμων χαμηλών θερμοκρασιών και στις αλληλεπιδράσεις μεμονομένων ατόμων. Υλοποιήσαμε την περιθλαστική απεικόνιση σκοτεινού πεδίου ως μία τεχνική υψηλής ευαισθησίας για τον εντοπισμό μικρού μεγέθους ατομικών συνόλων χαμηλών θερμοκρασιών σε πολύ χαμηλά οπτικά βάθη. Ο εντοπισμός ενός ατόμου, που έχει επιτευχθεί αρχικά στην ΜΟΤ με απεικόνιση φθορισμού, επιτρέπει την βαθμολόγηση της καταμέτρησης ατόμων με φθορισμό. Η απεικόνιση φθορισμού στη συνέχεια χρησιμοποιείται ως μέθοδος αναφοράς για την καταμέτρηση ατόμων με την περιθλαστική απεικόνιση σκοτεινού πεδίου. Χρησιμοποιούμε την περιθλαστική απεικόνιση σκοτεινού πεδίου για την απεικόνιση ελεύθερα διογκόμενων ατομικών νεφών που έχουν αποδεσμευτεί απο την ΜΟΤ με αριθμούς ατόμων έως 100 το ελάχιστο και οπτικά βάθη έως 0.01 το ελάχιστο σε χρόνους έκθεσης 100 μs. Εφαρμόζουμε την αυτή τεχνική σε διάταξη συμπύκνωσης Bose-Einstein (BEC), όπου και επιτυγχάνεται ο εντοπισμούς αριθμού ατόμων έως 7 το ελάχιστο με το ίδιο οπτικό βάθος, και παρατηρείται βελτίωση του σηματοθορυ