Magnetometry and microscopy of cold atom clouds

Abstract

This thesis covers experimental work conducted within two distinct fields of cold-atom physics. The first part describes an experiment capable of spatially-selective dispersive measurements of a cold-atomic system in part or in whole, by virtue of a digital micromirror device (DMD). Atom clouds are trapped in optical tweezers made and controlled by an acousto-optical deflector. Two types of high-precision magnetometers are realised. One is vectorial and reaches a single-shot precision of dB = (100, 200) µG for the field components parallel and transversal to the probe light, exceeding a previous realisation by two orders of magnitude. The other is a scalar magnetometer based on Larmor precession and reaches dB = 30 µG, putting it on equal footing with other state-of-the-art cold-atom magnetometers.

The second part is devoted to the characterisation and the first results of a new quantum gas microscope experiment. It features a 0.69 NA microscope objective for high-resolution fluorescence imaging of individual atoms trapped in deep optical lattices. The imaging system is shown to perform near the diffraction limit. By means of DMD-generated off-resonant tight optical tweezers, projected through the high-resolution optics, we can load only a few planes of a co-propagating 1D lattice. In a single realisation of the experiment we acquire multiple fluorescence images, where the objective is translated between images, bringing different planes of the optical lattices in focus. In this way we can tomographically reconstruct the atom distribution in 3D.

Þessi ritgerð gerir grein fyrir tilraunum innan tveggja sviða eðlisfræði kaldra atómskýja. Fyrri hlutinn lýsir tilraunum sem gera kleifar mælingar á köldum atómskýjum að hluta eða í heild. Til þessa er beitt tvísturhluta víxlverkunar atóms og ljóss, og er mæliljósið mótað með stafrænum ljósvarpa (e. digital micromirror device). Atómskýin fanga smáar ljóstangir sem stýrt er með mótara hljóð-ljóshrifa (e. acousto-optical de ector). Í þessu kerfi voru útbúnar tvær gerðir návæmra segulsviðsmæla. Annar mælir vigursvið og nær nákvæmni B = (100; 200) uG í einni mælilotu, á þáttum segulsviðsins samsíða og hornrétt á stefnu mæliljóssins. Þar með bætir mælirinn nákvæmni þessarar tækni um tvö stærðarþrep. Hinn mælirinn byggir á Larmor pólveltu og mælir því aðeins stig sviðsins, en hann er í eðli sínu hittinn. Sá nær B = 30 uG nákvæmni, til jafns við það sem náðst hefur með öðrum segulmælum í köldum atómskýjum. Seinni hluti ritgerðarinnar Fjallar um uppbyggingu og fyrstu niðurstöður úr nýrri smásjártilraun fyrir skammtagös. Í smásjánni er hlutgler með ljósopstölu 0,69, nýtt tilmyndunar í hárri upplausn á ¬úrljósi frá einstökum atómum, sem fönguð eru í djúpu mætti þrívíðra ljósgrinda. Gæði ¬úrmyndanna eru því sem næst eingöngu takmörkuð af öldubeygju ljóssins. Örsmáum ljóstöngum með ljóstíðni fjarri hermu atómsins, er varpað gegnum hlutglerið með hjálp stafræns ljósvarpa. Í þeim sitja lítil atómský sem færa má yfir örfáar sléttur einvíðrar ljósgrindar. Í einni mælilotu eru teknar nokkrar fl¬úrmyndir þar sem hlutglerið er flutt millimynda, sem færir mismunandi sléttur ljósgrindarinnar í brennipunkt myndkerfisins. Þannig má endurskapa rúmlæga dreifingu atómanna í þrívídd.