Läpinäkyviin kestomagneetteihin perustuvan atomiloukun suunnittelu

Erittäin matalissa lämpötiloissa aineen aalto-ominaisuudet tulevat näkyviin, mikä mahdollistaa monien kvanttimekaanisten ilmiöiden tutkimisen ja hyödyntämisen. Kehittyneillä lasertekniikoilla kaasumaisia atomijoukkoja voidaan jäähdyttää aina µK-lämpötiloihin asti. Näiden jäähdytettyjen atomien - toisin sanoen aineaaltojen - liikettä voidaan tehokkaasti hallita lokalisoitujen magneettikenttien avulla. Tarvittavat magneettikentät luodaan yleensä tasaisella pinnalla olevien mikroskooppisten virtajohtimien avulla. Tällaisen atomiloukun avulla voidaan kokeellisesti tutkia pieneen tilaan vangittuja atomeja sekä esimerkiksi aineaaltojen interferenssiilmiöitä. Virtajohtimien käyttö kuitenkin asettaa oleellisia rajoituksia menetelmän toimivuudelle sähkövirran aiheuttaman kohinan vuoksi. Tämäntyyppiset atomiloukut eivät myöskään sovellu perustilassa olevien atomien tutkimiseen. Uudenlainen menetelmä, jolla edellä mainitut ongelmat voidaan välttää, on luoda atomiloukkuna toimiva potentiaali yhdistämällä mikroskooppisen kestomagneetin atomeja puoleensavetävä vaikutus epähomogeenisen laserkentän atomeja hylkivään vaikutukseen. Tarvittava laserkenttä saadaan aikaan prisman pinnalla tapahtuvan kokonaisheijastuksen avulla. Prisman pinnalle upotettavien kestomagneettirakenteiden on siten oltava läpinäkyviä käytetyn laserin aallonpituudella. Tällainen mikroskooppinen atomiloukku voidaan valmistaa kasvattamalla ensiksi prisman päälle ohutkalvo läpinäkyvästä magneettisesta materiaalista, ja tämän jälkeen kuvioimalla mikrorakenteet kalvoon litografisesti. Tämän työn tarkoituksena oli mallintaa atomien vangitsemiseen soveltuvia potentiaaleja, joita kestomagneettirakenteilla voitaisiin saada aikaan sekä lisäksi tutkia kokeellisesti ohutkalvon kasvatusprosessia laserablaatiomenetelmällä läpinäkyvästä kestomagneettimateriaalista, yttrium-rauta -garnetista (YIG). Työssä mallinnettiin kaksi yksinkertaista kestomagneettirakenteiden geometriaa, minkä tuloksena huomattiin, että atomien vangitseminen kahdessa tai kolmessa ulottuvuudessa on mahdollista. Monimutkaisempien rakenteiden aiheuttamia potentiaaleja mallintamalla havaittiin, että kestomagneettirakenteiden avulla on mahdollista toteuttaa atomiloukkuja, jotka toimisivat säteenjakajana (beam splitter) ja rengasinterferometrina aineaalloille. Toisaalta tehdyt laskut osoittavat, että attraktiivinen (van der Waals) pintavuorovaikutus asettaa suuret vaatimukset potentiaalien synnyttämisessä käytetylle laserlaitteistolle. Nämä ovat kuitenkin saavutettavissa nykypäivän teknologialla. Laserablaatiomenetelmän avulla valmistettiin sarja YIG-ohutkalvoja käyttämällä kasvatusalustana ohuita gadolinium-gallium -garnettikiteitä. Kalvot tutkittiin magnetometrimittauksilla sekä pyyhkäisyelektronimikroskopian ja optisen absorptiospektroskopian avulla. Tulokset osoittavat, että laserablaatiolla pystyttiin valmistamaan ohutkalvoja, joilla on riittävän suuri magnetoituma, hyvä pinnan laatu sekä tarvittava läpinäkyvyys oikealla aallonpituusalueella. Tulosten perusteella menetelmää voidaan seuraavaksi laajentaa ohutkalvojen kasvattamiseen prisman pinnalle: tämä on seuraava askel mikroskooppisen atomiloukun toteutuksessa