Meissner effect in superconducting microtraps

Abstract

This thesis investigates the impact of the Meissner effect on magnetic microtraps for ultracold atoms near superconducting microstructures. This task has been accomplished both theoretically and experimentally. The Meissner effect distorts the magnetic fields near superconducting surfaces, thus altering the parameters of magnetic microtraps. Both computer simulations and experimental measurements demonstrate that the Meissner effect shortens the distance between the magnetic microtrap and the superconducting surface, reduces the magnetic-field gradients and dramatically lowers the trap depth.

A novel numerical method for calculating magnetic fields in atom chips with superconducting microstructures has been developed. This numerical method overcomes the geometrical limitations of other calculation techniques and can solve superconducting microstructures of arbitrary geometry. The numerical method has been used to calculate the parameters of magnetic microtraps in computer-simulated chips containing thin-film wires. Simulations were carried out for both the superconducting and the normal-conducting state, and the differences between the two cases were analyzed.

Computer simulations have been contrasted with experimental measurements. The experimental apparatus generates a magnetic microtrap for ultracold Rubidium atoms near a superconducting Niobium wire of circular cross section. The design and construction of the apparatus has met the challenge of integrating the techniques for producing atomic quantum gases with the techniques for cooling solid bodies to cryogenic temperatures. By monitoring the position of the atom cloud, one can observe how the Meissner effect influences the magnetic microtrap.

Esta tesis investiga el impacto del efecto Meissner sobre microtrampas magnéticas para átomos ultrafríos cerca de microstructuras superconductoras. Esta tarea ha sido realizada tanto teórica como experimentalmente. El efecto Meissner distorsiona los campos magnéticos cerca de las superficies superconductoras, alterando de este modo los parámetros de las microtrampas magnéticas. Tanto las simulaciones computacionales como las medidas experimentales demuestran que el efecto Meissner acorta la distancia entre la microtrampa magnética y la superficie superconductora, reduce los gradientes del campo magnético y baja dramáticamente la profundidad de la trampa.

Un novedoso método numérico para calcular campos magnéticos en chips atómicos con microestructuras superconductoras ha sido desarrollado. Este método numérico supera las limitaciones de otras técnicas de cálculo y puede resolver microestructuras superconductoras de geometría arbitraria. El método numérico ha sido usado para calcular los parámetros de las microtrampas magnéticas en chips computacionalmente simulados que contienen cables de capa delgada. Las simulaciones han sido llevadas a cabo para tanto el caso superconductor como para el caso normal, y las diferencias entre ellos han sido analizadas.

Las simulaciones computacionales han sido contrastadas con medidas experimentales. El aparato experimental genera una microtrampa magnética para átomos de rubidio ultrafríos cerca de un cable de niobio superconductor con sección circular. El diseño y la construcción del aparato han conseguido el objetivo de integrar las técnicas de producción de gases cuánticos atómicos con las técnicas de enfriamiento de cuerpos sólidos a temperaturas criogénicas. Mediante el monitoreo de la posición de la nube atómica, se puede observar cómo el efecto Meissner influencia la microtrampa magnética.