AtomChip: Entwicklung, Anwendung als Magnetfeldsensor

Neutrale Atome können mit mikrostrukturierten Bausteinen, die wir AtomChips nennen, gefangen und gezielt manipuliert werden. Diese Chips stellen die Basis dar für robuste und vielseitige Anwendungen kalter Atome, von Atom-Optik bis hin zur Behandlung fundamentaler Fragestellungen der Physik mesoskopischer Systeme. Das Ziel unseres Projekts ist die Entwicklung integrierter Chips zur robusten Manipulation von Quantensystemen und zur Detektion neutraler Atome am Quantenlimit. Damit wird die Weiterentwicklung des BEC Magnetfeldmikroskops möglich. Diese Methode liefert einzigartige und hochpräzise Informationen über magnetische Potentiale. Breit gefächerte Fabrikationsmöglichkeiten und die zu entwickelnde robuste Integration in ein modulares Experiment werden das BEC Mikroskop zu einem Werkzeug machen, das uns in die Lage versetzt verschiedenste Materialien und Strukturen zu untersuchen, von dünnen metallischen Leitern bis hin zu Quanten-Schächten in Halbleitern und Strömen in supraleitenden Materialien.

Miniaturisierung und Integration sind wichtige Schritte in Richtung einer robusten Anwendung von Grundlagenphysik. Erfolgreiche Beispiele sind die Halbleiterphysik und ihre Anwendung in den integrierten Schaltkreisen der Informationsverarbeitung und die Entwicklung integrierter Mikrooptik und deren Anwendung in der Sensor- und Kommunikations- technologie. AtomChips zielen auf einen ähnlichen technologischen Schritt für Quantenoptik und atomare Quantensysteme: Aufbau einer robusten Quantentechnologie mittels Miniaturisierung und Integration. AtomChips bringen dabei das Beste aus zwei Welten zusammen: Kalte Atome, ein System, das für präzise Quantenmanipulation sehr gut geeignet ist - und die technologischen Möglichkeiten der Nanofabrikation um die Atome zu quanten-manipulieren. Um den Aufbau solch einer Quanten-Toolbox zu ermöglichen, muss der AtomChip zahlreiche Aufgaben erfüllen, was extreme Anforderungen an Fabrikationsmethoden und Komponentenintegration stellt. Das Hauptziel des Projekts war die wissenschaftliche und technologische Entwicklung, Herstellung und Implementierung von AtomChips. und bildete damit die Grundlage für mehrere andere nationale und internationale Projekte. Als erster Schritt wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Mikro-und Nanostrukturen (ZMNS) an der TU Wien wurde die Technologie der AtomChips mit normal- als auch supraleitende Strukturen hier in Wien etabliert und weiter entwickelt. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf das aufstrebende Gebiet der hybriden Quantensysteme gelegt, wobei der AtomChip eine ideale Plattform darstellt, um Spinensembles an supraleitende Mikrowellenschaltungen zu koppeln. Auf diesem Gebiet entwickelten und implementierten wir supraleitende AtomChips und koplanare Mikroresonatoren mit hoher Finesse. Ein zweiter Fokus bestand in der Weiterentwicklung der AtomChip-Experimente. Ein wichtiger Schritt war die Entwicklung von stochastischen Optimierungsmethoden die es erlauben, optimalen experimentelle Bedingungen durch eine automatisierte Suche zu finden. Parallel dazu wurde ein neuartiges Tieftemperatur-Experiment mit einem AtomChip, bei dem die Atome mittels bewegter Magnetfallen in einen Kryostaten transportiert werden können, aufgebaut. Dieses Setup ist so konzipiert, dass es im Prinzip auch in einem Mischkryostaten mit T <100mK realisiert werden kann. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für hybride Quantensysteme, die ultrakalte Atome mit supraleitenden Schaltkreisen kombinieren. Zusätzlich entwickelten wir ein neues Test-Setup zur Qualitätskontrolle der AtomChips. Im Experiment selbst wurde deren Leistung dann mit dem Magnetfeld-Mikroskop getestet.