We describe the construction of an apparatus designed to realize a hybrid quantum system comprised of a cryogenically cooled mechanical oscillator and ultra-cold 87Rb atoms coupled via light. The outstanding feature of our instrument is an in situ adjustable asymmetric all-fiber membrane-in-the-middle cavity located inside an ultra-high vacuum dilution refrigerator based cryostat. We show that Bose-Einstein condensates of N = 2 × 10 6 atoms can be produced in less than 20 s and demonstrate a single photon optomechanical coupling strength of g 0 = 2 π × 9 kHz employing a high-stress Si3N4 membrane with a mechanical quality factor Q m > 10 7 at a cavity setup temperature of TMiM = 480 mK.

1.
G.
Kurizki
,
P.
Bertet
,
Y.
Kubo
,
K.
Mølmer
,
D.
Petrosyan
,
P.
Rabl
, and
J.
Schmiedmayer
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
3866
(
2015
).
2.
M.
Aspelmeyer
,
T. J.
Kippenberg
, and
F.
Marquardt
,
Rev. Mod. Phys.
86
,
1391
(
2014
).
3.
A. D.
O’Connell
 et al,
Nature
464
,
697
(
2010
).
4.
J. D.
Teufel
,
T.
Donner
,
D.
Li
,
J. W.
Harlow
,
M. S.
Allman
,
K.
Cicak
,
A. J.
Sirois
,
J. D.
Whittaker
,
K. W.
Lehnert
, and
R. W.
Simmonds
,
Nature
475
,
359
(
2011
).
5.
J.
Chan
,
T. P. M.
Alegre
,
A. H.
Safavi-Naeini
,
J. T.
Hill
,
A.
Krause
,
S.
Gröblacher
,
M.
Aspelmeyer
, and
O.
Painter
,
Nature
478
,
89
(
2011
).
6.
B.
Vogell
,
K.
Stannigel
,
P.
Zoller
,
K.
Hammerer
,
M. T.
Rakher
,
M.
Korppi
,
A.
Jöckel
, and
P.
Treutlein
,
Phys. Rev. A
87
,
023816
(
2013
).
7.
A.
Jöckel
,
A.
Faber
,
T.
Kampschulte
,
M.
Korppi
,
M. T.
Rakher
, and
P.
Treutlein
,
Nat. Nanotech.
10
,
55
(
2015
).
8.
Z.
Xiang
,
S.
Ashhab
,
J. Q.
You
, and
F.
Nori
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
623
(
2013
).
9.
K.
Hammerer
,
M.
Aspelmeyer
,
E. S.
Polzik
, and
P.
Zoller
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
020501
(
2009
).
10.
M.
Wallquist
,
K.
Hammerer
,
P.
Zoller
,
C.
Genes
,
M.
Ludwig
,
F.
Marquardt
,
P.
Treutlein
,
J.
Ye
, and
H. J.
Kimble
,
Phys. Rev. A
81
,
023816
(
2010
).
11.
F.
Bariani
,
S.
Singh
,
L. F.
Buchmann
,
M.
Vengalattore
, and
P.
Meystre
,
Phys. Rev. A
90
,
033838
(
2014
).
12.
F.
Bariani
,
H.
Seok
,
S.
Singh
,
M.
Vengalattore
, and
P.
Meystre
,
Phys. Rev. A
92
,
043817
(
2015
).
13.
P.
Treutlein
,
D.
Hunger
,
S.
Camerer
,
T. W.
Hänsch
, and
J.
Reichel
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
140403
(
2007
).
14.
W.
Chen
,
K.
Zhang
,
D. S.
Goldbaum
,
M.
Bhattacharya
, and
P.
Meystre
,
Phys. Rev. A
80
,
011801(R)
(
2009
).
15.
Y.-J.
Wang
,
M.
Eardley
,
S.
Knappe
,
J.
Moreland
,
L.
Hollberg
, and
J.
Kitching
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
227602
(
2006
).
16.
D.
Hunger
,
S.
Camerer
,
T. W.
Hänsch
,
D.
König
,
J. P.
Kotthaus
,
J.
Reichel
, and
P.
Treutlein
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
143002
(
2010
).
17.
B.
Vogell
,
T.
Kampschulte
,
M. T.
Rakher
,
A.
Faber
,
P.
Treutlein
,
K.
Hammerer
, and
P.
Zoller
,
New J. Phys.
17
,
043044
(
2015
).
18.
A.
Bick
,
C.
Staarmann
,
P.
Christoph
,
O.
Hellmig
,
J.
Heinze
,
K.
Sengstock
, and
C.
Becker
,
Rev. Sci. Instrum.
87
,
013102
(
2016
).
19.
J. D.
Thompson
,
B. M.
Zwickl
,
A. M.
Jayich
,
F.
Marquardt
,
S. M.
Girvin
, and
J. G. E.
Harris
,
Nature
452
,
72
(
2008
).
20.
F.
Jessen
,
M.
Knufinke
,
S. C.
Bell
,
P.
Vergien
,
H.
Hattermann
,
P.
Weiss
,
M.
Rudolph
,
M.
Reinschmidt
,
K.
Meyer
,
T.
Gaber
,
D.
Cano
,
A.
Günther
,
S.
Bernon
,
D.
Koelle
,
R.
Kleiner
, and
J.
Fortágh
,
Appl. Phys. B
116
,
665
(
2014
).
21.
M.
Poot
and
H. S. J.
van der Zant
,
Phys. Rep.
511
,
273
(
2012
).
22.
F.
Pobell
,
Matter and Methods at Low Temperatures
(
Springer
,
2007
).
23.
Oxford Instruments, Tubney Woods, OX135QX, UK.
24.
Swagelok Inc., 29500 Solon Road, Solon, OH 44139, USA.
25.
P.
Gorla
,
C.
Bucci
, and
S.
Pirro
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
520
,
641
(
2004
).
26.
SPI Supplies/Structure Probe, Inc., 206 Garfield Ave, West Chester, PA 19380–4512, USA.
27.
S. C. J.
Kingsley
,
H.
Jones
,
A.
Twin
,
H.
Agrawal
,
A.
Matthews
,
G. J.
Batey
, and
M.
Cuthbert
,
J. Phys.: Conf. Ser.
400
,
052012
(
2012
).
28.
Ferrovac GmbH, Thurgauerstrasse 72, CH 8050 Zürich.
29.
E. R. I.
Abraham
and
E. A.
Cornell
,
Appl. Opt.
37
,
1762
(
1998
).
30.
S. H.
Pan
, International patent application No. WO 93/19494 (
30 September 1993
).
31.
Epoxy Technology Inc., Billerica, MA 01821, USA.
32.
PI Ceramic GmbH, Lindenstrasse, 07589 Lederhose, Germany.
33.
M.
Liebmann
,
A.
Schwarz
,
S. M.
Langkat
, and
R.
Wiesendanger
,
Rev. Sci. Instrum.
73
,
3508
(
2002
).
34.
H.
Zhong
,
A.
Schwarz
, and
R.
Wiesendanger
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
045006
(
2014
).
36.
P. T.
Ernst
,
S.
Götze
,
J. S.
Krauser
,
K.
Pyka
,
D.-S.
Lühmann
,
D.
Pfannkuche
, and
K.
Sengstock
,
Nat. Phys.
6
,
56
(
2010
).
37.
R.
Grimm
,
M.
Weidemüller
, and
Y. B.
Ovchinnikov
,
Adv. At., Mol., Opt. Phys.
42
,
95
(
2000
).
38.
HF2LI, Zurich Instruments AG, Technoparkstrasse 1, 8005 Zurich, Switzerland.
39.
Norcada Inc., Edmonton, AB T6E 5B6, Canada.
40.
FSP Spectrum Analyzer, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, Mühldorfstrae 15, 81671 Munich, Germany.
41.
K.
Børkje
and
S. M.
Girvin
,
New J. Phys.
14
,
085016
(
2012
).
42.
B. H.
Schneider
,
V.
Singh
,
W. J.
Venstra
,
H. B.
Meerwaldt
, and
G. A.
Steele
,
Nat. Commun.
5
,
5819
(
2014
).
43.
D. L.
McAuslan
,
G. I.
Harris
,
C.
Baker
,
Y.
Sachkou
,
X.
He
,
E.
Sheridan
, and
W. P.
Bowen
,
Phys. Rev. X
6
,
021012
(
2016
).
44.
M.
Yuan
,
M. A.
Cohen
, and
G. A.
Steele
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
263501
(
2015
).
45.
A. M.
Jayich
,
J. C.
Sankey
,
K.
Børkje
,
D.
Lee
,
C.
Yang
,
M.
Underwood
,
L.
Childress
,
A.
Petrenko
,
S. M.
Girvin
, and
J. G. E.
Harris
,
New J. Phys.
14
,
115018
(
2012
).
You do not currently have access to this content.