A scanning electron microscope for ultracold quantum gases

Abstract

This thesis presents a new imaging technique for ultracold quantum gases. Since the first observation of Bose-Einstein condensation, ultracold atoms have proven to be an interesting system to study fundamental quantum effects in many-body systems. Most of the experiments use optical imaging rnmethods to extract the information from the system and are therefore restricted to the fundamental limitation of this technique: the best achievable spatial resolution that can be achieved is comparable to the wavelength of the employed light field. Since the average atomic distance and the length scale of characteristic spatial structures in Bose-Einstein condensates such as vortices and solitons is between 100 nm and 500 nm, an imaging technique with an adequate spatial resolution is needed. This is achieved in this work by extending the method of scanning electron microscopy to ultracold quantum gases. A focused electron beam is scanned over the atom cloud and locally produces ions which are subsequently detected. The new imaging technique allows for the precise measurement of the density distribution of a trapped Bose-Einstein condensate. Furthermore, the spatial resolution is determined by imaging the atomic distribution in one-dimensional and two-dimensional optical lattices. Finally, the variety of the imaging method is demonstrated by the selective removal of single lattice site. rn

In dieser Arbeit wird eine neue Abbildungsmethode für ultrakalte Quantengase vorgestellt. Seit der ersten experimentellen Beobachtung eines Bose-Einstein Kondensates, stellen ultrakalte Atome ein wichtiges Gebiet zur Untersuchung fundamentaler Quanteneffekte in Mehr-Teilchen Systemen rndar. Die meisten dieser Experimente benutzen optische Abbildungsmethoden um Informationen aus den Systemen zu extrahieren und sind deshalb an die fundamentalen Limitierungen dieser Methode gebunden: die bestmögliche räumliche Auflösung ist vergleichbar mit der Wellenlänge des benutzten Lichtfeldes. Da allerdings der mittlere atomare Abstand und die Längenskala von charakteristischen räumlichen Strukturen in Bose-Einstein Kondensaten wie Vortices oder Solitonen zwischen 100 nm und 500 nm liegt, wird eine Abbildungsmethode mit einer entsprechenden räumlichen Auflösung benötigt. In dieser Arbeit wird nun eine Abbildungsmethode vorgestellt die das Prinzip des Rasterelektronenmikroskops auf ultrakalte Quantengase erweitert. Dabei wird ein fokussierter Elektronenstrahl über die Wolke von kalten Atomen bewegt und die lokal erzeugten Ionen anschliessend detektiert. Mit dieser Methode ist es möglich die Dichteverteilung eines Bose-Einstein Kondensates in der Falle präzise zu vermessen. Des weiteren wird die Dichteverteilung in eindimensionalem und zweidimensionalen optischen Gittern ermittelt und darüber das räumliche Auflösungsvermögen bestimmt. Abschliessend wird die Vielseitigkeit der Methode durch das gezielte Entfernen einzelner Gitterplätze demonstriert. rn