Testing the universality of free fall with rubidium and ytterbium in a very large baseline atom interferometer

We propose a very long baseline atom interferometer test of Einstein's equivalence principle (EEP) with ytterbium and rubidium extending over 10m of free fall. In view of existing parametrizations of EEP violations, this choice of test masses significantly broadens the scope of atom interferometric EEP tests with respect to other performed or proposed tests by comparing two elements with high atomic numbers. In a first step, our experimental scheme will allow reaching an accuracy in the E\"otv\"os ratio of $7\times 10^{-13}$. This achievement will constrain violation scenarios beyond our present knowledge and will represent an important milestone for exploring a variety of schemes for further improvements of the tests as outlined in the paper. We will discuss the technical realisation in the new infrastructure of the Hanover Institute of Technology (HITec) and give a short overview of the requirements to reach this accuracy. The experiment will demonstrate a variety of techniques which will be employed in future tests of EEP, high accuracy gravimetry and gravity-gradiometry. It includes operation of a force sensitive atom interferometer with an alkaline earth like element in free fall, beam splitting over macroscopic distances and novel source concepts

Interacting quantum mixtures for precision atom interferometry

We present a source engineering concept for a binary quantum mixture suitable as input for differential, precision atom interferometry with drift times of several seconds. To solve the non-linear dynamics of the mixture, we develop a set of scaling approach equations and verify their validity contrasting it to the one of a system of coupled Gross-Pitaevskii equations. This scaling approach is a generalization of the standard approach commonly used for single species. Its validity range is discussed with respect to intra- and inter-species interaction regimes. We propose a multi-stage, non-linear atomic lens sequence to simultaneously create dual ensembles with ultra-slow kinetic expansion energies, below 15 pK. Our scheme has the advantage of mitigating wave front aberrations, a leading systematic effect in precision atom interferometry

Design of a dual species atom interferometer for space

Atom interferometers have a multitude of proposed applications in space including precise measurements of the Earth's gravitational field, in navigation & ranging, and in fundamental physics such as tests of the weak equivalence principle (WEP) and gravitational wave detection. While atom interferometers are realized routinely in ground-based laboratories, current efforts aim at the development of a space compatible design optimized with respect to dimensions, weight, power consumption, mechanical robustness and radiation hardness. In this paper, we present a design of a high-sensitivity differential dual species $^{85}$Rb/$^{87}$Rb atom interferometer for space, including physics package, laser system, electronics and software. The physics package comprises the atom source consisting of dispensers and a 2D magneto-optical trap (MOT), the science chamber with a 3D-MOT, a magnetic trap based on an atom chip and an optical dipole trap (ODT) used for Bose-Einstein condensate (BEC) creation and interferometry, the detection unit, the vacuum system for $10^{-11}$ mbar ultra-high vacuum generation, and the high-suppression factor magnetic shielding as well as the thermal control system. The laser system is based on a hybrid approach using fiber-based telecom components and high-power laser diode technology and includes all laser sources for 2D-MOT, 3D-MOT, ODT, interferometry and detection. Manipulation and switching of the laser beams is carried out on an optical bench using Zerodur bonding technology. The instrument consists of 9 units with an overall mass of 221 kg, an average power consumption of 608 W (819 W peak), and a volume of 470 liters which would well fit on a satellite to be launched with a Soyuz rocket, as system studies have shown.Comment: 30 pages, 23 figures, accepted for publication in Experimental Astronom

STE-QUEST - Test of the Universality of Free Fall Using Cold Atom Interferometry

In this paper, we report about the results of the phase A mission study of the atom interferometer instrument covering the description of the main payload elements, the atomic source concept, and the systematic error sources

Theoretical study of the preparation of quantum degenerate mixtures for precision atom interferometry

In dieser Arbeit werden quantenentartete Gemische auf ihre Eigenschaften als Quellen für Präzisionsatominterferometer zum Test des Einsteinschen Äquivalenzprinzips untersucht. Um die notwendige Auflösung zu erreichen, sollen die Interferometriezyklen auf mehrere Sekunden ausgedehnt werden. Die bekannten Hauptbeiträge an systematischen Effekten, die bei realistischen Aufbauten auftreten, sind hierbei berücksichtigt, und für einige werden Strategien zur Unterdrückung präsentiert. Die Gemische die hier betrachtet werden, sind Bose-Einstein-Kondensate aus 87Rb/85Rb und 87Rb/41K. Eine simultane Absenkung der Expansionsraten beider Komponenten in den Temperaturbereich von weniger als 100 pK ist notwendig, um einerseits freie Entwicklungszeiten der Kondensate von 10 s zu ermöglichen, und andererseits systematische Fehler zum Beispiel verursacht durch die atomare Bewegung in den Wellenfronten der Lichtfelder zu unterdrücken. Um diese Anforderungen erfüllen zu könnnen, wurde die Rolle der Wechselwirkung der Teilchen untereinander betrachtet, die von ihrer einfachen Durchstimmbarkeit mit Hilfe von Feshbach-Resonanzen profitiert. Neben der Manipulierbarkeit der Wechselwirkung wurden Delta-Kicks zur Kollimation untersucht, durch die der Einfluss der führenden systematischen Fehler unterdrückt wird. Neben dem oben genannten Gemisch wurden auch die Gemische 87Rb/39K und 87Rb/170Yb untersucht. Das 87Rb/87K-Gemisch wurde als Kandidat für Hochpräzisionsatominterferomtrie in Mikrogravitation identifiziert. Das Yb-basierte Gemisch hat den vorteil, dass die Wechselwirklung ohne zusätzliche Feshbachfelder durchgeführt werden kann. Für die Delta-Kicks wurde eine Vielzahl an Fallengeometrien untersucht, wie etwa die Dipolfalle, chip-basierte Potentiale, sowie das TOP-Fallenpotential (engl.: Time-Orbiting-Potential), um Majorana-Verluste zu verhindern. Die Berechnungen wurden mit Hilfe der Gross Pitaevskii Gleichung und Skalierungstheorie vorgenommen