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Optisches Pumpen eines dichten Quantengases : Kontinuierliches Sisyphus-Kühlen und Entmagnetisierungskühlen nah an Quantenentartung
No full textIn this thesis, I study optical pumping as a powerful cooling tool for trapped ultra-cold atoms in a highly collisional regime.
First application of optical pumping is a continuous loading scheme used to transfer atoms from a guided beam into a hybrid trap.
Further, I introduce a Sisyphus cooling scheme based on radio-frequency transitions and optical pumping, operating simultaneously to the accumulation of atoms in the trap.
The combined scheme of continuous loading and Sisyphus cooling is demonstrated for a large range of initial conditions of the guided atoms.
Thereby, I show that collisional thermalization occurs in a steady-state for almost arbitrary initial conditions, provided that the first dissipative step is able to prevent the atom from leaving the trap during its first passage.
On the one hand, this scheme could be applied to a wide range of atomic or molecular beams.
On the other hand, phase-space density of 4*10^-4 is reached in a continuous operation mode with chromium atoms.
In the second part, I investigate demagnetization cooling based on dipolar relaxation collisions driving the thermalization of the internal (spin) and the external (motional) degrees of freedom.
In the case of a gas, one has the advantage that the spin degree of freedom can be cooled very efficiently using optical pumping.
It is shown, that demagnetization cooling of a gas is more efficient than evaporation cooling in terms of phase-space density gain versus loss of atoms.
This allows reaching a temperature of 6uK at a phase-space density of 0.03.
It is observed, that both, continuous Sisyphus cooling and demagnetization cooling are limited by a density dependent loss mechanism.
I present circumstantial evidence for excited-state collisions as the dominant limiting process.
Finally, I discuss possible extensions to the current experimental procedures, possibly allowing reaching quantum degeneracy by optical means only.Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Experimente mit ultra-kalten Quantengasen, dabei steht die Methode des optischen Pumpens im Vordergrund. Dieses Verfahren ist besonders effizient, um dipolare ultra-kalte Atome zu fangen und dann bei hohen Dichten zu kühlen.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem kontinuierlichen Laden einer optischen Dipolfalle aus einem Strahl von Chromatomen.Mit diesem Verfahren können geladene Atome ins thermische Gleichgewicht gebracht werden, vorausgesetzt die kontinuierliche Quelle ist ein relativ kalter (~65uK) und langsamer (1m/s) Strahl mit einem hohen Fluss an Atomen (>10^9Atome/s). Für Teilchenflüße, die diese Bedingungen nicht erfüllen müssen weitere Kühlschritte erfolgen um effizientes Laden zu erzielen. Hierfür präsentieren wir in dieser Arbeit ein zusätzliches Kühlverfahren, bekannt als Sisyphuskühlung. Es wird ein Hochfrequenzfeld eingestrahlt, welches ortsabhängig Atome in weniger stark gefangene magnetische Unterzustände transferiert. Der Sisyphus-Zyklus wird in der Nähe des Fallenbodens abgeschlossen, wenn die Atome den optischen Pumpstrahl passieren und wieder in den ursprünglichen Zustand gepumpt werden. Die Energie wird durch die spontane Emission eines Photons irreversibel abgeführt. Dieser Prozess kann zeitgleich zum kontinuierlichen Laden der Falle ablaufen und hat im Gleichgewichtszustand eine niedrigere Temperatur und eine höhere Phasenraumdichte zur Folge.
Die hier vorgestellte Technik eignet sich daher besonders, um Teilchen (Atome oder Moleküle) aus einem Strahl in eine Falle zu laden. Diese Technik setzt nur voraus, dass zustandsabhängige Potentiale mit externen Feldern erzeugt werden können und schnelles optisches Pumpen das ändern des internen Zustands erlaubt. Aus diesem Grund ist die hier beschriebene Methode vor allem für Atome und Moleküle interessant, die nur in Form von langsamen, aber schwachen oder radial heißen Strahlen vorliegen. Insbesondere bei Molekülen würde eine Methode zur Erzeugung von ultra-kalten Proben bis hin zu einem Bose-Einstein Kondensat den Weg für eine Reihe von spannenden Anwendungen ebnen.
Dazu zählen der Quanten-Computer auf der Grundlage von polaren Molekülen in einem optischen Gitter oder Präzisionsmessungen zur Bestimmung der änderung von Naturkonstanten.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wenden wir Entmagnetisierungskühlung auf ein dichtes Chrom-Gas an. Die Entmagnetisierungskühlung beruht auf der Spin-Bahn-Kopplung, die Spin- und Bewegungs-Freiheitsgrade in thermisches Gleichgewicht bringt. Im Falle eines Gases, besteht zusätzlich der Vorteil darin, dass der Spinfreiheitsgrad sehr effizient durch optisches Pumpen gekühlt werden kann. Das relativ hohe magnetische Moment von Chromatomen von 6 Bohrmagneton erlaubt durch dipolare Relaxationsstöße eine schnelle Thermalisierung zwischen dem Spin- und dem Bewegungs-Freiheitsgrad. Sind die Stoßpartner im niedrigsten magnetischen Unterzustand, so müssen sie genügend relative Bewegungsenergie besitzen, um den energetisch höheren Unterzustand zu erreichen. Daher hängt die Rate der dipolare Relaxationsstöße von dem angelegten Magnetfeld ab.
Wir untersuchen experimentell die Thermalisierung der Spin- und Bewegungs-Freiheitsgrade von Chromatomen als Funktion des externen Magnetfeldes in einer tiefen Dipolfalle. Hierbei finden wir gute übereinstimmungen mit theoretischen Vorhersagen. In der vorliegenden Arbeit wenden wir Entmagnetisierungskühlung auf Chromatome an und erhöhen die Phasenraumdichte dabei um mehr als zwei Größenordnungen auf den Wert von 0,03. Die Temperatur sinkt dabei von 90uK auf 6uK.
Es zeigt sich, dass sowohl kontinuierliche Sisyphuskühlung als auch Entmagnetisierungskühlung durch einen dichtebegrenzenden Mechanismus limitiert sind. Wir untersuchen die Verlustraten als Funktion der Intensität des optischen Pumplichts und finden im Bereich von niedrigen Intensitäten einen Anstieg der Kühlrate sowie der Verlustrate, was ebenfalls die These der Licht-induzierte Stöße stützt. Beim Variieren der Verstimmung des optischen Pumplichts setzen Verluste erst ab einer bestimmten (positiven) Verstimmung ein. Wir erklären dieses Verhalten durch ein repulsives Molekülpotential zwischen einem Atom im Grundzustand und einem angeregten Atom. Erst ab einer bestimmten Verstimmung reicht die kinetische Energie aus, um die Dipolfalle zu verlassen. Wir überprüfen diesen Zusammenhang für verschiedene Tiefen der optischen Dipolfalle und bestätigen diesen Sachverhalt experimentell. Ander als bei den meisten Laserkühlverfahren kann die Energie, die beim Streuen eines einzelnen Photons dissipiert wird in der Größenordnung der thermischen Energie liegen. Dies erlaubt es mit nur wenigen Photonen einen starken Kühleffekt zu erzielen.
Zum Schluss diskutieren wir weitere Möglichkeiten die Phasenraumdichte im kontinuierlichen Betrieb des Lademechanismus weiter zu erhöhen, wie z.B. durch einen Dimple
Ultracold atoms in disordered potentials: elastic scattering time in the strong scattering regime
Get PDFInternational audienceWe study the elastic scattering time τ s of ultracold atoms propagating in optical disordered potentials in the strong scattering regime, going beyond the recent work of J. Richard et al. Phys. Rev. Lett. 122 100403 (2019). There, we identified the crossover between the weak and the strong scattering regimes by comparing direct measurements and numerical simulations to the first order Born approximation. Here we focus specifically on the strong scattering regime, where the first order Born approximation is not valid anymore and the scattering time is strongly influenced by the nature of the disorder. To interpret our observations, we connect the scattering time τ s to the profiles of the spectral functions that we estimate using higher order Born perturbation theory or self-consistent Born approximation. The comparison reveals that self-consistent methods are well suited to describe τ s for Gaussian-distributed disorder, but fails for laser speckle disorder. For the latter, we show that the peculiar profiles of the spectral functions, as measured independently in V. Volchkov et al. Phys. Rev. Lett. 120, 060404 (2018), must be taken into account. Altogether our study characterizes the validity range of usual theoretical methods to predict the elastic scattering time of matter waves, which is essential for future close comparison between theory and experiments, for instance regarding the ongoing studies on Anderson localization
Exploring Riemann's functional equation Exploring Riemann's functional equation ABOUT THE AUTHOR
No full textAbstract: An equivalent, but variant form of Riemann's functional equation is explored, and several discoveries are made. Properties of Riemann's zeta function (s), from which a necessary and sufficient condition for the existence of zeros in the critical strip, are deduced. This in turn, by an indirect route, eventually produces a simple, solvable, differential equation for arg( (s)) on the critical line s = 1∕2 + i , the consequences of which are explored, and the "LogZeta" function is introduced. A singular linear transform between the real and imaginary components of and ′ on the critical line is derived, and an implicit relationship for locating a zero ( = 0 ) on the critical line is found between the arguments of (1∕2 + i ) and � (1∕2 + i ). Notably, the Volchkov criterion, a Riemann Hypothesis (RH) equivalent, is analytically evaluated and verified to be half equivalent to RH, but RH is not proven. Numerical results are presented, some of which lead to the identification of anomalous zeros, whose existence in turn suggests that well-established, traditional derivations such as the Volchkov criterion and counting theorems require re-examination. It is proven that the derivative � (1∕2 + i ) will never vanish on the perforated critical line ( ≠ 0 ). Traditional asymptotic and counting results are obtained in an untraditional manner, yielding insight into the nature of (1∕2 + i ) as well as very accurate asymptotic estimates for distribution bounds and the density of zeros on the critical line
Clinical course and outcome of patients with ACTH-dependent Cushing’s syndrome infected with novel coronavirus disease-19 (COVID-19): case presentations
No full textObjective: To analyze the clinical presentations of patients with endogenous Cushing’s syndrome (CS) affected by Coronavirus disease-19 (COVID-19). Materials and methods: Patients who were referred to our clinic with active CS from 31st March to 15th May 2020 were screened for COVID-19 using real-time reverse transcriptase–polymerase chain reaction (RT-PCR). Late-night serum cortisol (64–327 nmol/L), late-night salivary cortisol (LNSC) (0.5–9.4 nmol/L), or 24-h urinary free cortisol (24 hUFC) (100–379 nmol/24 h) were measured by electrochemiluminescence immunoassay. Results: Among 22 patients with active CS we found three cases affected by COVID-19. Nonspecific inflammation markers were within the reference range or slightly elevated in these patients. A 71-year-old woman with newly diagnosed CS (late-night serum cortisol >1750 nmol/L, LNSC 908.6 nmol/L) developed dyspnea as an only symptom and died from bilateral polysegmantal hemorrhagic pneumonia 7 days later. A 38-year-old woman with a 5-year medical history of active Cushing’s disease (CD) (late-night serum cortisol 581.3 nmol/L, 24 hUFC 959.7 nmol/24-h) suffered from dyspnea, cough, fever (39.3 °C) and chest pain. Oxygen therapy, antibiotics and symptomatic treatments lead to full recovery 24 days later. A 66-year-old woman with a 4-year medical history of mild CD (late-night serum cortisol 603.4 nmol/L, LNSC 10.03 nmol/L) tested positive for COVID-19 in routine screening and remained asymptomatic. Conclusions: The outcome of COVID-19 in patients with CS depends on the severity of hypercortisolism. Thus, severe hypercortisolism is a warning sign that CS affected by COVID-19 could require emergency care despite a lack of clinical presentations and low inflammation biomarkers
