Dissertation:
Quantum Effects in Atomic Nanofabrication Using Light Forces

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2004
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Jürgens, Dirk
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Quanteneffekte in atomarer Nanofabrikation unter Verwendung von Lichtkräften
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Dissertation
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Abstract
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der atomaren Nanofabrikation mit Lichtkräften im Quantenregime. In den vorangegangenen Arbeiten wurde für die nanostrukturierte Deposition neutraler Atome stets die klassisch beschreibbare induzierte Dipolkraft in weit verstimmten stehenden Lichtwellen verwendet. In exakt resonanten Lichtfeldern erwartet man aber klassisch keine Dipolkraft, da in diesem Fall der induzierte Dipol des Atoms und das Lichtfeld um 90 außer Phase schwingen. Quantenmechanisch befindet sich ein atomares Grundzustandswellenpaket, das sich in einem exakt resonanten Lichtfeld bewegt, in einer Superposition, die zu gleichen Teilen aus den Eigenzuständen des gekoppelten Systems, den so genannten dressed states besteht. Ist die Intensitätsverteilung des Lichtfeldes inhomogen, so erfahren die beiden dressed-state-Wellenpakete eine Kraftwirkung proportional zum Intensitätsgradienten, aber in entgegengesetzte Richtung. Während ein Teil zum Intensitätsmaximum gezogen wird, erfährt der andere Teil eine Kraftwirkung zum Intensitätsminimum. Verwendet man nun im atomaren Nanofabrikationsexperiment eine exakt resonante stehende Lichtwelle, führt dieser Effekt zu einer Halbierung der Periodizität der Nanostrukturen, so dass das für Zwei-Niveau Systeme gültige lambda/2 -Limit des konventionellen Schemas unterboten wird. Des weiteren zeigen die durchgeführten Experimente, dass die atomare Bewegung im resonanten Lichtfeld nicht nur durch die Kraftwirkung eines Intensitätsgradienten, sondern auch durch den Phasengradienten des Lichtfeldes am Knoten einer nicht perfekten stehenden Welle bestimmt wird.

Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war die Herstellung exakt periodisch angeordneter ferrimagnetischer Nanostrukturen. Dafür wurde die Anlage so umgebaut, dass die Nanostrukturen jetzt unter definierten Ultrahochvakuumbedingungen wachsen können.
Um die Proben anschließend in die Molekularstrahlepitaxieanlage der Arbeitsgruppe Schatz transferieren zu können musste sie entsprechend kompatibel gestaltet werden. Basierend auf dem klassischen, weitverstimmten Nanofabrikationsschema konnten in der Ultrahochvakuumanlage reine Proben mit Chromnanostrukturen hohen Kontrastes produziert werden. Anschließend gelang der Transport in die Molekularstrahlepitaxieanlage, wo anschließend eine Platinschicht auf den Nanostrukturen abgeschieden wurde. Leider haben technische Probleme in der Epitaxieanlage den thermischen Annealingprozess, der letztendlich zur ferrimagnetischen Phase des Chrom-Platin-Systems führen sollte, bislang verhindert.
Für die Erzeugung strukturierter ferrimagnetischer Nanolegierungen, aber auch für andere mögliche Anwendungen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die deponierten Nanostrukturen ein hohes Kontrastverhältnis aufweisen, d.h. der Untergrund muss soweit wie möglich reduziert werden. Weit rotverstimmte stehende Wellen sind dafür besser geeignet, da die Form des Dipolpotentials, das die Fokussierung des Atomstrahls bestimmt, sehr viel harmonischer ist als im blauverstimmten Fall, obwohl der Einfluss
der spontanen Emission eher das Gegenteil vermuten ließe. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass der Untergrund im rotverstimmten Fall auf 13% reduziert wird, was auch mit theoretischen Rechnungen sehr gut übereinstimmt.
Summary in another language
The goal of this thesis work was devoted to three major problems:
We were interested in the extension of the previously studied classical schemes of atomic nanofabrication to the unexplored quantum regime where the formation of nanostructures cannot be understood in the classical picture of the induced dipole force.
Secondly, we were working towards the fabrication of ferrimagnetic nanoalloys. For this purpose, the apparatus was rebuilt so that the nanostructures can be now grown under defined ultra high vacuum conditions. In addition, compatibility with the MBE machine in the group of Professor Schatz was ensured because our experimental scheme requires that the samples are transferred between both vacuum apparatus.
Thirdly, this step towards real applications of nanostructures fabricated with light forces required in particular the development of a reliable and reproducible scheme. For this purpose systematic measurements that allow to optimize the relevant parameters of the deposited structures, the feature width and the background called pedestal, were performed.
We have demonstrated for the _rst time that exactly resonant standing wave light fields can be utilized to halve the standard two-level atom periodicity limit of lambda/2. Here we make use of the fact that an atomic ground state wave packet in a resonant light field splits into a fifty-fifty superposition of the new eigenstates (dressed states) of the coupled system. In an inhomogeneous intensity distribution like a standing wave the motion of both dressed state wave packets is primarily governed by their associated potentials that only differ in sign. The dressed state wave packets are therefore accelerated into opposite directions, one to the intensity maximum and the other to the minimum. The advantage of the method is its applicability to basically all atomic or molecular species that can be prepared in an e_ective two-level system. Our experimental studies of this scheme furthermore show that the atomic motion in resonant light fields is not only governed by the intensity gradient of the light _eld distribution but also by the phase gradient near the nodes of an imperfect standing light wave (Jürgens et al., 2004).
For the fabrication of ferrimagnetic nanostructures and other applications it is desirable
to produce structures with a high contrast, i.e. to reduce the background of the structures. We were able to show that using red detuned standing light waves is advantageous over the usually used blue detuned standing waves because their potential shape is distinctly more harmonic. This advantage even surpasses the negative influence of spontaneous emissions that naively suggests that blue detuned standing waves are more appropriate. We measured that the feature background is suppressed to at least 13% and found excellent agreement with results obtained from Monte-Carlo simulations based on optical Bloch equations.
With the knowledge at hand to produce high contrast nanostructures we were able to produce clean chromium samples under UHV conditions and transfer them under vacuum into the MBE machine. There, a platinum layer was deposited on top so that ferrimagnetic nanoalloys can now be made when the thermal annealing process succeeds. Unfortunately, technical problems in the epitaxial chamber prevented this important step to date.
Subject (DDC)
530 Physics
Keywords
atom optics , nanolithography , atom-light interaction , quantum effects , atom optics
Published in
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Review
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Cite This
ISO 690JÜRGENS, Dirk, 2004. Quantum Effects in Atomic Nanofabrication Using Light Forces [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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October 28, 2004
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