Die vorliegende Arbeit wurde in der Atomphysik Gruppe des Departements für Physik der Universität Freiburg verfasst. Die Arbeit ist in zwei Hauptteile gegliedert, welche insgesamt 6 wissenschaftliche Publikationen enthalten. Im ersten Teil werden optische Untersuchungen an Cs und Rb Atomen sowie deren Exciplex-Molekülen und Clustern in festen 4He Matrizen präsentiert. Der zweite Teil stellt experimentelle und theoretische Untersuchungen des Stark-Effektes im Grundzustand von Cs Atomen in der bcc Phase von festem 4He vor. Wir haben die bekannte Technik der Laserablation benutzt um Fremdatome in einen Helium-Kristall einzup_anzen. Während der Ablation werden nicht nur Atome, sondern auch geladene Teilchen, Moleküle und metallische Cluster abgelöst und anschliessend im Heliumkristall gefangen. Der Teil des Kristall, der diese Verunreinigungen enthält, nennen wir "Eisberg" auf Grund seiner Form. Er ist zylindrisch und ist ein paar Zentimeter in vertikaler Richtung ausgedehnt. Eine interessante Eigenschaft dieses Eisberges ist, dass er fest bleibt wenn das ihn umgebende Helium bereits flüssig ist. Wir haben Absorptionsspektren und interferometrische Untersuchungen an diesem Eisberg durchgeführt. Aus diesen Messungen können wir schliessen, dass die Heliumdichte im Eisberg zwischen der Dichte von flüssigem und festem Helium in der bcc Phase liegt. Wir spekulieren, dass der Eisberg durch Ionen und Elektronen zusammengehalten wird. Die Ionen bilden so genannte Schneebälle, während die Elektronen, auf Grund der Pauli-Abstossung Blasen (Elektronenblasen) bilden. Energetisch scheint es vorteilhaft zu sein, wenn die Ionen und Elektronen nicht rekombinieren und somit eine amorphe (oder kristalline) ionische Struktur bilden. (Publikation I) Die spektrale Verschiebung von atomaren Absorptions- und Emissionslinien auf Grund der Wechselwirkung der Alkali-Atome mit der Helium Matrix ist in der Vergangenheit ausführlich untersucht worden und viele Beobachtungen konnten mit Hilfe des so genannten Blasenmodells erklärt werden. Dieses Modell kann jedoch die Sprünge der Absorptions- und Emissionswellenlänge an der Phasengrenze von flüssigem zu festem Helium nicht erklären. In dieser Arbeit wurde das Modell erweitert, in dem eine zusätzliche Kraft für die feste Phase eingeführt wurde, die die elastischen Eigenschaften des Kristalls berücksichtigt. Das erweiterte Modell beinhaltet auch eine zusätzliche spektrale Verschiebung der Linien, ein Effekt, der durch die Blase, in der sich die Alkali-Atome befinden, entsteht (Blaseneffekt). Hierbei wechselwirken die atomaren Dipole der angeregten Atome mit ihren eigenen Spiegelbildern, welche durch die dielektrischen Blasen erzeugt werden. Ausführliche Messungen der Druckverschiebung von atomaren Absorptions- und Emissionslinien wurden erfolgreich mit unseren Modellrechnungen verglichen. (Publikation II) Das reflektierte elektromagnetische Feld des atomaren Dipols bewirkt nicht nur eine Frequenzverschiebung (Blaseneffekt), sondern führt auch zu einer veränderten radiativen Lebensdauer des angeregten Zustandes der Atome. Wir haben während dieser Arbeit Lebensdauer-Messungen des Cs 6P1/2 Zustandes in der bcc und hcp Phase von festem Helium durchgeführt und haben die Druckabhängigkeit dieser Lebensdauer untersucht. Die Werte, die in der bcc Phase gemessen wurden, stimmen mit früheren Messungen in der flüssigen Phase von einer anderen Forschungsgruppe überein. Die Lebensdauern werden mit den theoretischen Vorhersagen des erweiterten Blasenmodells verglichen. Die kürzere Lebensdauer in flüssigem und festem (bcc) Helium werden durch die Modellrechnungen gut wiedergeben, wenn man den Blaseneffekt berücksichtigt. Die druckunabhängige Lebensdauer in der flüssigen und der bcc Phase kann mit dem Modell erklärt werden und beruht auf der Kompensation zweier Effekte: das Dipol Matrixelement nimmt mit zunehmendem Druck ab, währen die Frequenz des abgestrahlten Lichtes zunimmt. In der hcp Phase des festen Heliums existiert ein zusätzlicher nichtstrahlender Zerfallskanal, der zu einem Sprung der Lebensdauer an der bcc-hcp Phasengrenze führt. Dieser zusätzliche Zerfallskanal wurde bereits früher in unserer Forschungsgruppe untersucht und besteht in der Bildung von Cs*Hen (n=2, n = 6 - 7) Exciplex-Molekülen. (Publikation III) Exciplexe, d.h. gebundene Zustände zwischen einem angeregten Alkali-Atom und einem oder mehreren Helium Atomen, sind interessante Objekte. In dieser Arbeit wurden die früheren Untersuchungen der Cs-Exciplexe auf das Rubidium System ausgedehnt. Rb hat im Vergleich mit Cs eine kleinere Feinstrukturkonstante, weshalb die Wahrscheinlichkeit zur Exciplexbildung verändert wird. Die druckabhängige Dämpfung der Rb D1 Emission in superfluidem Helium wurde schon früher durch die Bildung von Exciplexen erklärt. Bei Cs hingegen konnte keine Exciplexbildung in superfluidem und festem (bcc) Helium nachgewiesen werden, bei Anregung der Atome auf der D1 Linie (Anregung des 6P1/2 Zustandes). Dies wurde auch durch unsere Lebensdauermessungen des 6P1/2 Zustandes bestätigt. Unsere Experimente mit Rb Atomen, die in der bcc und der hcp Phase von 4He eingebunden sind, haben gezeigt, dass der stärkste Zerfallskanal der angeregten Rb Atome (Anregung des 5P1/2 oder 5P3/2 Zustandes) die Bildung von Rb*He6 Exciplexen ist. Ein schwaches Fluoreszenzsignal wurde auch von den beiden linearen Exciplexen Rb*He1 und Rb*He2 beobachtet. Das theoretische Modell, dass für die Cs Exciplexe entwickelt wurde, wurde erfolgreich auf das Rb-Exciplex System angewandt und hat uns erlaubt, alle beobachteten Emissionslinien zu identifizieren. Während dieser Messungen haben wir auch zum ersten Mal eine schwache Emission der atomaren Rb D1 und D2 Linien in festem 4He beobachtet. (Publikation IV) Der zweite Hauptteil dieser Doktorarbeit untersucht den Einfluss eines statischen elektrischen Feldes auf die Eigenschaften des Cs Grundzustandes. Der quadratische Stark-Effekt (quadratisch in der angelegten elektrischen Feldstärke) führt zu einer globalen Verschiebung der magnetischen Unterzustände im Cs Grundzustand. Dieser Effekt kann durch eine skalare Polarisierbarkeit α 0 parametrisiert werden. Es existiert aber ein winziger Beitrag α 2(3) (genannt Tensorpolarisierbarkeit) zur skalaren Polarisierbarkeit (α 2(3) ~ 10-7 α 0), der die Zeeman Entartung der Hyperfein-Unterzustände aufhebt. Wir präsentieren in dieser Arbeit experimentelle Details der Stark-Effekt Messungen, die an Cs Atomen in der bcc Phase von festem 4He durchgeführt wurden. Wir haben optisch detektierte Magnetresonanz benutzt, um diese kleinen Verschiebungen der magnetischen Unterzustände, bewirkt durch das angelegte statische elektrische Feld im Cs Grundzustand zu messen. Der experimentelle Wert der Tensorpolarisierbarkeit α 2(3) des Grundzustandes für Cs Atome in bcc festem 4He weicht um etwa 10% vom Wert im freien Atom ab. (Publikation V) Das erweiterte Blasenmodell wurde benutzt um Wellenfunktionen und Energieniveaus der Cs Atome in der atomaren Blase zu berechnen. Diese Grössen wurden für die numerische Auswertung der Störungsrechnung in dritter Ordnung benutzt, um den Einfluss der He Matrix auf die Tensorpolarisierbarkeit zu berechnen. Wir zeigen, dass der theoretische Wert gute Übereinstimmung mit dem experimentellen Wert zeigt. Die ausführliche theoretische Publikation behandelt auch das freie Atom, für welches ein skaliertes Thomas-Fermi Potential benutzt wurde, um die Wellenfunktionen des freien Cs Atoms bis zur Hauptquantenzahl n=200 zu berechnen. Diese Wellenfunktionen wurden, wie für die Rechnung in der Blase, benutzt, um die Tensorpolarisierbarkeit zu berechnen. Wir haben durch explizite Berechnung von Kontinuumswellenfunktionen gezeigt, dass deren Einfluss vernachlässigbar klein ist. Wir schliessen mit der Aussage, dass theoretische und experimentelle Werte der Tensorpolarisierbarkeit α 2(3) für das freie Cs Atom wie auch für das Cs Atom im bcc festen 4He in guter Übereinstimmung sind. Die Störungsrechnung dritter Ordnung, die zur Berechnung von α 2(3) benutzt wurde (entwickelt von meinem früheren Kollegen S. Ulzega und mir selbst und vorgestellt in der Doktorarbeit von S. Ulzega und in dieser Arbeit), konnte somit das Rätsel um die 40 Jahre bestehende Diskrepanz zwischen theoretischem und experimentellem Wert für α 2(3)im freien Atom erfolgreich lösen. (Publikation VI)
Die vorliegende Arbeit wurde in der Atomphysik Gruppe des Departements für Physik der Universität Freiburg verfasst. Die Arbeit ist in zwei Hauptteile gegliedert, welche insgesamt 6 wissenschaftliche Publikationen enthalten. Im ersten Teil werden optische Untersuchungen an Cs und Rb Atomen sowie deren Exciplex-Molekülen und Clustern in festen 4He Matrizen präsentiert. Der zweite Teil stellt experimentelle und theoretische Untersuchungen des Stark-Effektes im Grundzustand von Cs Atomen in der bcc Phase von festem 4He vor. Wir haben die bekannte Technik der Laserablation benutzt um Fremdatome in einen Helium-Kristall einzup_anzen. Während der Ablation werden nicht nur Atome, sondern auch geladene Teilchen, Moleküle und metallische Cluster abgelöst und anschliessend im Heliumkristall gefangen. Der Teil des Kristall, der diese Verunreinigungen enthält, nennen wir "Eisberg" auf Grund seiner Form. Er ist zylindrisch und ist ein paar Zentimeter in vertikaler Richtung ausgedehnt. Eine interessante Eigenschaft dieses Eisberges ist, dass er fest bleibt wenn das ihn umgebende Helium bereits flüssig ist. Wir haben Absorptionsspektren und interferometrische Untersuchungen an diesem Eisberg durchgeführt. Aus diesen Messungen können wir schliessen, dass die Heliumdichte im Eisberg zwischen der Dichte von flüssigem und festem Helium in der bcc Phase liegt. Wir spekulieren, dass der Eisberg durch Ionen und Elektronen zusammengehalten wird. Die Ionen bilden so genannte Schneebälle, während die Elektronen, auf Grund der Pauli-Abstossung Blasen (Elektronenblasen) bilden. Energetisch scheint es vorteilhaft zu sein, wenn die Ionen und Elektronen nicht rekombinieren und somit eine amorphe (oder kristalline) ionische Struktur bilden. (Publikation I) Die spektrale Verschiebung von atomaren Absorptions- und Emissionslinien auf Grund der Wechselwirkung der Alkali-Atome mit der Helium Matrix ist in der Vergangenheit ausführlich untersucht worden und viele Beobachtungen konnten mit Hilfe des so genannten Blasenmodells erklärt werden. Dieses Modell kann jedoch die Sprünge der Absorptions- und Emissionswellenlänge an der Phasengrenze von flüssigem zu festem Helium nicht erklären. In dieser Arbeit wurde das Modell erweitert, in dem eine zusätzliche Kraft für die feste Phase eingeführt wurde, die die elastischen Eigenschaften des Kristalls berücksichtigt. Das erweiterte Modell beinhaltet auch eine zusätzliche spektrale Verschiebung der Linien, ein Effekt, der durch die Blase, in der sich die Alkali-Atome befinden, entsteht (Blaseneffekt). Hierbei wechselwirken die atomaren Dipole der angeregten Atome mit ihren eigenen Spiegelbildern, welche durch die dielektrischen Blasen erzeugt werden. Ausführliche Messungen der Druckverschiebung von atomaren Absorptions- und Emissionslinien wurden erfolgreich mit unseren Modellrechnungen verglichen. (Publikation II) Das reflektierte elektromagnetische Feld des atomaren Dipols bewirkt nicht nur eine Frequenzverschiebung (Blaseneffekt), sondern führt auch zu einer veränderten radiativen Lebensdauer des angeregten Zustandes der Atome. Wir haben während dieser Arbeit Lebensdauer-Messungen des Cs 6P1/2 Zustandes in der bcc und hcp Phase von festem Helium durchgeführt und haben die Druckabhängigkeit dieser Lebensdauer untersucht. Die Werte, die in der bcc Phase gemessen wurden, stimmen mit früheren Messungen in der flüssigen Phase von einer anderen Forschungsgruppe überein. Die Lebensdauern werden mit den theoretischen Vorhersagen des erweiterten Blasenmodells verglichen. Die kürzere Lebensdauer in flüssigem und festem (bcc) Helium werden durch die Modellrechnungen gut wiedergeben, wenn man den Blaseneffekt berücksichtigt. Die druckunabhängige Lebensdauer in der flüssigen und der bcc Phase kann mit dem Modell erklärt werden und beruht auf der Kompensation zweier Effekte: das Dipol Matrixelement nimmt mit zunehmendem Druck ab, währen die Frequenz des abgestrahlten Lichtes zunimmt. In der hcp Phase des festen Heliums existiert ein zusätzlicher nichtstrahlender Zerfallskanal, der zu einem Sprung der Lebensdauer an der bcc-hcp Phasengrenze führt. Dieser zusätzliche Zerfallskanal wurde bereits früher in unserer Forschungsgruppe untersucht und besteht in der Bildung von CsHen (n=2, n = 6 - 7) Exciplex-Molekülen. (Publikation III) Exciplexe, d.h. gebundene Zustände zwischen einem angeregten Alkali-Atom und einem oder mehreren Helium Atomen, sind interessante Objekte. In dieser Arbeit wurden die früheren Untersuchungen der Cs-Exciplexe auf das Rubidium System ausgedehnt. Rb hat im Vergleich mit Cs eine kleinere Feinstrukturkonstante, weshalb die Wahrscheinlichkeit zur Exciplexbildung verändert wird. Die druckabhängige Dämpfung der Rb D1 Emission in superfluidem Helium wurde schon früher durch die Bildung von Exciplexen erklärt. Bei Cs hingegen konnte keine Exciplexbildung in superfluidem und festem (bcc) Helium nachgewiesen werden, bei Anregung der Atome auf der D1 Linie (Anregung des 6P1/2 Zustandes). Dies wurde auch durch unsere Lebensdauermessungen des 6P1/2 Zustandes bestätigt. Unsere Experimente mit Rb Atomen, die in der bcc und der hcp Phase von 4He eingebunden sind, haben gezeigt, dass der stärkste Zerfallskanal der angeregten Rb Atome (Anregung des 5P1/2 oder 5P3/2 Zustandes) die Bildung von RbHe6 Exciplexen ist. Ein schwaches Fluoreszenzsignal wurde auch von den beiden linearen Exciplexen RbHe1 und RbHe2 beobachtet. Das theoretische Modell, dass für die Cs Exciplexe entwickelt wurde, wurde erfolgreich auf das Rb-Exciplex System angewandt und hat uns erlaubt, alle beobachteten Emissionslinien zu identifizieren. Während dieser Messungen haben wir auch zum ersten Mal eine schwache Emission der atomaren Rb D1 und D2 Linien in festem 4He beobachtet. (Publikation IV) Der zweite Hauptteil dieser Doktorarbeit untersucht den Einfluss eines statischen elektrischen Feldes auf die Eigenschaften des Cs Grundzustandes. Der quadratische Stark-Effekt (quadratisch in der angelegten elektrischen Feldstärke) führt zu einer globalen Verschiebung der magnetischen Unterzustände im Cs Grundzustand. Dieser Effekt kann durch eine skalare Polarisierbarkeit α 0 parametrisiert werden. Es existiert aber ein winziger Beitrag α 2(3) (genannt Tensorpolarisierbarkeit) zur skalaren Polarisierbarkeit (α 2(3) ~ 10-7 α 0), der die Zeeman Entartung der Hyperfein-Unterzustände aufhebt. Wir präsentieren in dieser Arbeit experimentelle Details der Stark-Effekt Messungen, die an Cs Atomen in der bcc Phase von festem 4He durchgeführt wurden. Wir haben optisch detektierte Magnetresonanz benutzt, um diese kleinen Verschiebungen der magnetischen Unterzustände, bewirkt durch das angelegte statische elektrische Feld im Cs Grundzustand zu messen. Der experimentelle Wert der Tensorpolarisierbarkeit α 2(3) des Grundzustandes für Cs Atome in bcc festem 4He weicht um etwa 10% vom Wert im freien Atom ab. (Publikation V) Das erweiterte Blasenmodell wurde benutzt um Wellenfunktionen und Energieniveaus der Cs Atome in der atomaren Blase zu berechnen. Diese Grössen wurden für die numerische Auswertung der Störungsrechnung in dritter Ordnung benutzt, um den Einfluss der He Matrix auf die Tensorpolarisierbarkeit zu berechnen. Wir zeigen, dass der theoretische Wert gute Übereinstimmung mit dem experimentellen Wert zeigt. Die ausführliche theoretische Publikation behandelt auch das freie Atom, für welches ein skaliertes Thomas-Fermi Potential benutzt wurde, um die Wellenfunktionen des freien Cs Atoms bis zur Hauptquantenzahl n=200 zu berechnen. Diese Wellenfunktionen wurden, wie für die Rechnung in der Blase, benutzt, um die Tensorpolarisierbarkeit zu berechnen. Wir haben durch explizite Berechnung von Kontinuumswellenfunktionen gezeigt, dass deren Einfluss vernachlässigbar klein ist. Wir schliessen mit der Aussage, dass theoretische und experimentelle Werte der Tensorpolarisierbarkeit α 2(3) für das freie Cs Atom wie auch für das Cs Atom im bcc festen 4He in guter Übereinstimmung sind. Die Störungsrechnung dritter Ordnung, die zur Berechnung von α 2(3) benutzt wurde (entwickelt von meinem früheren Kollegen S. Ulzega und mir selbst und vorgestellt in der Doktorarbeit von S. Ulzega und in dieser Arbeit), konnte somit das Rätsel um die 40 Jahre bestehende Diskrepanz zwischen theoretischem und experimentellem Wert für α 2(3)im freien Atom erfolgreich lösen. (Publikation VI)
Obwohl die Eigenschaften von Rydbergatome bereits seit langer Zeit bekannt sind, ist es erst mit der Entwicklung und Anwendung neuer Laserkühlungsmethoden möglich deren Wechselwirkungen auf langen Zeiten zu studieren. Diese Wechselwirkungen bestimmen dabei die Dynamik in einem Ensemble von ultrakalten Rydbergatomen. In bisherigen Untersuchungen wurden jedoch nur Atome in Betracht gezogen, die kein permanentes Dipolmoment besitzen. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Untersuchung von ultrakalten Helium Rydbergatomen. Heliumatome spielen eine besondere Rolle, da sie im d-Zustand ein quasi-permanentes Dipolmoment besitzen und damit starke Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zu erwarten sind. Aufgrund der geringen Masse unterscheidet sich außerdem die Zeiten auf denen die Wechselwirkung stattfindet erheblich von jener der schweren Atome. Um die Wechselwirkungen zwischen ausgerichteten Dipolen direkt zu untersuchen, wurde ein externes elektrisches Feld durch Verwendung von Fallenstäben und einer flexiblen Nachweiselektronik angelegt. Durch selektive Anregung der unterschiedlichen Starkzustände konnte dabei die Ausrichtung der Dipole im Feld beliebig variiert werden. Mit Hilfe dieser Anlage war zum ersten Mal möglich, ultrakalte Helium-Rydbergatome und deren Wechselwirkung auf langen Zeiten zu studieren. Für das Verständnis der auf langen Zeiten stattfindenden Umverteilung und Ionisation durch Schwarzkörperstrahlung wurde die gesamte Umverteilung der Rydbergzustände im Gebundenen und Kontinuum anhand von Ratengleichungen simuliert. Anhand des Vergleichs der Messungen mit den Ergebnissen der Ratengleichungen konnten erhebliche Abweichungen von der erwarteten Umverteilung beobachtet werden. Bereits bei Dichten von nur 10^7 cm^-3 wurde auf kurzen Zeiten eine starke Umverteilung in langlebige l-Zuständen bei der Anregung von Zuständen n ≥ 24 nachgewiesen, die zu einem Nachweis der Zustände über mehrere ms führte. Durch Erhöhung der Dichte auf etwa 10^8 cm^-3 konnte auf kurzen Zeiten (wenige µs) ein starker zusätzlicher Umverteilungsprozess beobachtet werden. Hierbei bildet sich aufgrund der nach 1 µs durch Schwarzkörper-Photoionisation entstehenden Ionen eine Raumladung aus, die die entstandenen Elektronen fängt und zu induzierten Stößen zwischen den Rydbergatomen und den oszillierenden Elektronen führt. Dieses Verhalten wurde bereits in Rubidium beobachtet, wobei hier jedoch deutlich höhere Dichten notwendig waren. Obwohl bei maximal erreichbarer Dichte ein großer Anteil der Atome nach kurzer Zeit ionisiert wird, wurde eine vollständige Ionisierung, wie sie bei Rubidium erreicht wurde, in Helium nicht beobachtet. Der Grund dafür ist offenbar die begrenzte Dichte, die in der MOT metastabiler Heliumatome realisiert werden konnte. Mit Hilfe der selektiven Feldionisationsspektren wurde die Verteilung der Rydberg-Zustände direkt bis zu mehreren ms untersucht. Durch Vergleich mit den Ratengleichungen konnte damit eine deutlich erhöhte Anregung hoher n-Zustände bestätigt werden, die nur durch die Wechselwirkung der Rydbergatome zu verstehen ist, welche nach 100 µs relevant zum Tragen kommt. Durch Detektion der freiwerdenden Ionen zeigte sich, dass bei der Anregung von Zuständen mit n ≥ 40 bei einer Dichte von etwa 10^8 cm^-3 nach 1 ms zusätzliche Ionen entstehen. Dies kann als klarer Beweis für eine Wechselwirkung angesehen werden, da es hier offensichtlich auf langer Zeitskala zur Penning-Ionisation der Rydbergatome kommt. Durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes konnte zusätzlich die Umverteilung innerhalb einer Wolke ausgerichteter Dipole untersucht werden. Hier zeigte sich eine deutliche Umverteilung, welche aber nur die roten Starkzustände betrifft. Da die blauen Zustände nur durch die Schwarzkörperstrahlung umverteilt werden, führt die Anregung zu einer verzögerten Umverteilung aufgrund der l-Mischung im elektrischen Feld.Hierbei kommt es offensichtlich zu Dipol-Stößen, die abhängig von der Ausrichtung der Dipole wirken und damit je nach Orientierung zu einer Umverteilung der Zustände führen.
Seit der ersten experimentellen Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats (BEC), erfuhr das Feld der atomaren Quantengase eine rasante Entwicklung und stellt heute eines der spannendsten und interdisziplinärsten Feldern in der Atomphysik dar. Die Eigenschaften dieser Gase werden hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen bzw. Molekülen bestimmt, die in den bisher realisierten Kondensaten durch die Kontaktwechselwirkung dominiert wird. Theoretisches und experimentelles Interesse richtet sich seit kurzem auf weitere Wechselwirkungen in diesen entarteten Gasen. Insbesondere wurde die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol-Wechselwirkung in einem Quantengas, das aus in einem externen Feld ausgerichteten Dipolen besteht, theoretisch untersucht. Im Hinblick auf die Realisierung eines dipolaren atomaren Quantengases stellt Chrom dabei ein äußerst Erfolg versprechendes Element dar. Im Vergleich zu bisherigen BEC-Experimenten, in denen meist Alkali-Atome verwendet wurden, ist die Dipol-Dipol-Wechselwirkung um einen Faktor 36 größer und in seiner Stärke mit der Kontakt-Wechselwirkung vergleichbar. Ein wesentlich stärkeres Dipolmoment wird bei einem im elektrischen Feld ausgerichteten Cr-Rb-Molekül erwartet. In einem solchen Molekülgas wird die Wechselwirkung durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung dominiert. Zur Erzeugung solcher Quantengase wurde in dieser Arbeit ein neuer Aufbau konzipiert und realisiert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung ultrakalter, klassischer, bosonischer Cr-Gase, die zur Erzeugung eines dipolaren BECs dienen sollen. Ausgehend von einem lasergekühlten, magnetisch gespeicherten Cr-Ensemble wird in dieser Arbeit die Dipol-Dipol-Wechselwirkung in diesem ultrakalten, dipolaren Gas experimentell studiert. Die theoretische Beschreibung durch die Streuung zweier Dipole führt dabei zu einem sehr allgemeinen Verständnis der Streuprozesse in dipolaren Gasen. In dieser Arbeit wird experimentell und theoretisch gezeigt, dass bereits bei einem magnetischen Moment von sechs Bohrschen Magnetonen aufgrund von dipolaren Relaxationsstößen die Kondensation durch Evaporation der Cr-Atome in einer Magnetfalle nicht möglich ist. Die aus den Streuexperimenten gewonnenen Erkenntnisse bilden nun die Grundlage zur Entwicklung einer sehr aussichtsreichen Strategie. Dabei soll die Kondensation durch Verdampfungskühlen in einer optischen Falle im energetisch tiefsten Zustand der Dipole erfolgen, in dem keine Spinrelaxationsprozesse mehr möglich sind. Durch die Implementation dieses neuen Fallentyps für Cr wird somit eine entscheidende Hürde auf dem Weg zu einem BEC genommen. Obwohl es in dieser Arbeit noch nicht gelingt, die Atome in dieser Falle im energetische tiefsten Zustand zu polarisieren, können zwei Konzepte demonstriert werden, mit denen die Kondensation in diesem Fallentyp erreicht werden kann. Mit ersten Experimente an kombinierten Cr-Rb-Fallen wird in einem weiteren Teil dieser Arbeit ein neues Forschungsprojekt begonnen mit dem Ziel, ein entartetes heteronukleares Molekülgas aus einem zweikomponentigen entarteten Quantengas zu erzeugen. Es werden erste Resultate zum simultanen Betrieb zweier magneto-optischer Fallen (MOT) und dem überlagerten Betrieb von Rb-MOT und Cr-Magnetfalle vorgestellt.
Diese Arbeit hat zum Ziel, auf der Grundlage ausführlicher Simulationsrechnungen eine zweidimensionale Falle für neutrale Atome basierend auf elektrischen Wechselfeldern aufzubauen und das Fallenprinzip an kalten metastabilen Heliumatomen bzw. Rubidiumatomen zu demonstrieren. Mit dieser Art von Atomfallen ist geplant, gezielt Stöße ultrakalter neutraler Atome zu untersuchen. Diese sollten unabhängig von äußeren Feldern vor dem Stoß präpariert werden können, um Stoßquerschnitte in Abhängigkeit von der Spinausrichtung der Atome bestimmen zu können. Das eigentliche Element, an dem diese Untersuchungen durchgeführt werden sollen, ist das metastabile Heliumatom. Der Einfluß der elektrischen Felder auf neutrale Atome wird allerdings zu Testzwecken des Fallenaufbaus und der eingesetzten Hochspannungsschalter in Experimenten am Element Rubidium durchgeführt. Die experimentellen Voraussetzungen für die Speicherung neutraler Atome in elektrischen Feldern, das Bereitstellen ausreichend kalter Teilchenensemble, ist durch den Aufbau und Betrieb von magneto-optischen Fallen für metastabiles Helium und Rubidium gegeben. Die in der Arbeit vorgestellte elektrische Falle wird zuerst theoretisch behandelt. Die Bewegungsgleichungen für neutrale Atome in elektrischen Wechselfeldern werden aufgestellt, woraus sich Aussagen über die Stabilitätsbereiche ableiten lassen. Ebenso kann ein Ausdruck für die Fallentiefe hergeleitet werden. Die maximalen Fallentiefen ergeben sich für He* zu 32MHz bei einer Spannung von +/-15kV und einer Frequenz von 1100Hz und für Rubidium zu 12MHz bei U=+/-9kV und f=150Hz. Anschließende numerische Simulationen zur Speicherung eines kalten Rubidiumensembles zeigen auf, unter welchen Bedingungen eine effiziente Speicherung möglich ist. Als Ergebnis ist festzuhalten, daß bei Spannungen von U_0=+/-9000V bei einer Fallenfrequenz von f=200-250Hz ein Anteil von mehr als 7% der in der MOT gespeicherten Rubidiumatome in die elektrische Falle übertragen werden könnte. Die dabei erreichbaren Fallentiefen betragen 32 - 45µK. Der Einfluß der Gravitation kann durch eine konstante zusätzliche Spannung U_add, die an die oberen Elektroden angelegt wird, ausgeglichen werden. Die für die Realisierung der elektrischen Falle konzipierten Hochspannungsschalter und die eingesetzte Elektrodenstruktur werden detailliert beschrieben. Erste Hinweise auf das zweidimensionale Speichern von Rubidium in elektrischen Wechselfeldern liefern Messungen, die dokumentieren, daß durch den Betrieb der elektrischen Falle über einen Zeitraum von 16ms deutlich mehr Atome nachzuweisen sind, als die freie Expansion der Atomwolke zeigt. Aus den Daten geht hervor, daß mit der elektrischen Falle noch rund 15% der nach 2ms nachgewiesenen Atome vorhanden sind, während nach der selben Zeit, aber mit statischen elektrischen Feldern nur noch rund 5% nachzuweisen sind. Als Fallenparameter dienen dabei die aus den Simulationsrechnungen hervorgehenden Werte für die Spannungen - U_0=+/-9kV, U_add=+800V an den oberen beiden Fallenstäben zum Gravitationsausgleich - bei einer Frequenz von f=250Hz. Das Meßergebnis wird schließlich im Vergleich zu Simulationsergebnissen betrachtet und etwaige Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert. Als Anwendungsmöglichkeit des hier präsentierten Fallenprinzips wird das Konzept eines Speicherrings für neutrale Atome zur Untersuchung ultrakalter Stöße vorgestellt.
Im Rahmen der vorgestellten Diplomarbeit wurde eine Düsenstrahlquelle zur Erzeugung von Helium-3-Tröpfchen konstruiert und getestet. Sie ermöglicht es, Temperaturen bis zu 8K zu erreichen. Somit können sowohl Helium-3-Tröpfchen, die eine Düsentemperatur von 11 - 13K benötigen, als auch sehr große Helium-4-Tröpfchen (N > 10^6) erzeugt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, den Einfluss der suprafluiden Helium-4-Tröpfchen auf angelagerte Fremdteilchen im Gegensatz zu dem der normalfluiden Helium-3-Tröpfchen zu untersuchen.\nDer erste Teil der Arbeit besteht in der Charakterisierung der neuen Quelle. Im Verhalten des Heliumflusses durch die Düse zeigt sich eine Abweichung von der Theorie bei sehr tiefen Düsentemperaturen, er nimmt nicht mehr proportional zu 1/T^(1/2) zu. Die Ursache dieser Abweichungen ist nicht verstanden. Als nächster Schritt wurde das bekannte Spektrum von mit Natrium dotierten Helium-4-Tröpfchen vermessen und die Tröpfchengrößenabhängigkeit diskutiert. Dabei wurde die Methode der Laserinduzierten Fluoreszenz verwendet.\nDes weiteren wurde gezeigt, dass mit der aufgebauten Clusterquelle Helium-3-Tröpfchen erzeugt werden können. Ein Spektrum von mit Na dotierten Helium-3-Tröpfchen wurde aufgenommen und mit dem entsprechenden Helium-4-Spektrum verglichen. Sie zeigen starke Ähnlichkeiten, wie es im Wesentlichen durch die Rechnungen von M. Pi et al. vorhergesagt wurde [Physical Review Letters, Surface location of sodium atoms attached to ^3He nanodroplets, eingereicht]. Daraus folgt, dass Helium-3-Tröpfchen mit einer ähnlichen Effizienz wie die Helium-4-Tröpfchen mit Alkaliatomen dotiert werden können, und dass sich die Alkaliatome auf Helium-3-Tröpfchen ähnlich wie auf Helium-4-Tröpfchen verhalten. Sie sind auf der Oberfläche gebunden und es bilden sich Exziplexe bei elektronischer Anregung. Das Maximum der Absorption ist im Fall von Helium-3 leicht zu höheren Energien verschoben. Die niederenergetische Stufe, die sich im Spektrum des Natrium-dotierten Helium-4-Tröpfchens findet, ist im Spektrum von mit Natrium dotierten Helium-3-Tröpfchen nicht vorhanden. Dies verstärkt die Vermutung, dass sie im Fall von Helium-4 aus einem Zustand resultiert, der mit der suprafluiden Eigenschaft der Helium-4-Tröpfchen zusammenhängt.\nAbschließend werden am Max-Born-Institut in Berlin durchgeführte Messungen vorgestellt, die zeigen, dass es möglich ist, Femtosekunden-Pump-Probe-Messungen von Alkali-dotierten 3He-Tröpfchen durchzuführen. Obwohl die Helium-3-Tröpfchen im Gegensatz zu den Helium-4-Tröpfchen normalfluid sind, zeigen sich bei der Untersuchung der Oberflächendynamik sowie in der Bildung von Exziplexen nur geringe Unterschiede.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein besseres Verstandnis der Bildung atomarer negativer Ionen in Stosen mit zustandsselektierten Rydbergatomen zu schaffen. In einem Kreuzstrahlexperiment wurde mittels Massenspektrometrie die Bildung schwachgebundener atomarer negativer Ionen in thermischen Stosen (mittlere kinetische Energie 90*230 meV) von zustandsselektierten Ne(ns,J=2) und Ne(nd,J=4) Rydberg-Atomen mit Grundzustandsatomen untersucht. Der n-abhangige Ratenkoeffizient fur die Prozesse Ne(nl) + CaNe + CaNe (nl) + SrNe + Sr wurde bei zwei verschiedenen mittleren Stosenergien bestimmt. Die experimentellen Resultate wurden mit Modellrechnungen, basierend auf einem Kurvenkreuzungsmodell und einer modifizierten adiabatischen Theorie, verglichen. Im Experiment kreuzt ein kollimierter Strahl metastabiler Edelgasatome Ne, die in einer Gleichstromentladung erzeugt werden, einen kollimierten Strahl von Erdalkali-Atomen, der in einem Ofen unter effusiven Bedingungen produziert wird. Im Kreuzungsgebiet werden Ne(ns,J=2) oder Ne(nd,J=4) Rydberg-Zustande bevolkert; dies erfolgt in einer zweistufigen Laseranregung der Ne Atome uber den Zwischenzustand Ne. Die beim Elektronentransfer entstandenen positiven und negativen Ionen wurden mit einem Quadrupol-Massenspektrometer an einem Channel-Plate-Detektor nachgewiesen. Zur Kalibrierung der Spektren wurde SF-Gas diffus in den Reaktionsraum eingelassen. Die bekannten n-abhangigen Ratenkoeffizienten fur die Bildung von SF in Stosen mit Ne(nl) Rydberg-Atomen ermoglichte die Bestimmung des relativen Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca und Sr. Der n-abhangige Ratenkoeffizient fur die Bildung von Ca oder Sr zeigt ein resonanzartiges Verhalten als Funktion der Bindungsenergie des Rydbergelektrons. Die Position des Maximums hangt dabei von der Elektronenaffinitat und der mittleren kinetischen Energie ab. Die beobachteten Maxima liegen bei effektiven Hauptquantenzahlen im Bereich n = 9*11.5. Das Maximum fur den Elektronentransfer aus Ne(ns) und Ne(nd) Zustanden tritt bei dem gleichen Wert von n auf; dabei ist der Ratenkoeffizient im Maximum fur Ne(ns) Zustande etwa 20-60% hoher als fur Ne(nd)-Zustande. Zum Verstandnis der experimentellen Daten wurden Modellrechnungen durchgefuhrt, wobei der Wirkungsquerschnitt fur die Bildung negativer Ionen in Abhangigkeit von n i) anhand eines parameterfreien Kurvenkreuzungsmodells in Zusammenarbeit mit C. Desfrancois und ii) basierend auf einer modifizierten adiabatischen Theorie von I. I. Fabrikant bestimmt wurde. Das parameterfreie Kurvenkreuzungsmodell wurde bereits erfolgreich zur Beschreibung der Bildung dipolgebundener Molekule in Stosen mit zustandsselektierten Rydbergatomen eingesetzt. Im Kurvenkreuzungsmodell i) werden die beiden ionischen Zustande und eine hohe Anzahl kovalenter Potentialkurven in einem gekoppelten System (ohne Berucksichtigung von Interferenz- Effekten) betrachtet, wobei fur die Wahrscheinlichkeit, von einer kovalenten zu einer ionischen Potentialkurve zu wechseln, die Landau-Zener- Ubergangswahrscheinlichkeit eingesetzt wird. In Modell ii) wird nur jeweils eine ionische und kovalente Potentialkurve des Systems betrachtet. Nach der Bildung der Ionen wird der Zerfall des negativen Ions im Coulombfeld des positiven Ions berucksichtigt; dieser Zerfall entspricht dem Effekt der Mehrfachkurvenkreuzungen im Kurvenkreuzungsmodell. Zur Berucksichtigung der Feinstruktur wird in Modell ii) der Wirkungsquerschnitt entsprechend dem statistischen Mittel der negativen Ionen ermittelt. Die Ratenkoeffizienten wurden durch Mittelung uber die Verteilung der Relativenergie bestimmt. Beide Modelle geben den experimentell bestimmten Verlauf des Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca- und Sr-Ionen gut wieder. Es hat sich gezeigt, das unter den realisierbaren experimentellen Bedingungen die kinetische Energie einen entscheidenden Einflus auf die Bildung der negativen Ionen hat, da das entstandene Ionenpaar genugend kinetische Energie zur Verfugung haben mus, um die Coulombanziehung zu uberwinden. Die Untersuchung der Bildung von Yb*Ionen (erwartete Bindungsenergie 3 meV) in Stosen mit zustandsselektierten Ar(nd)-Rydbergatome zeigte im Bereich 21 n 3 keinen Hinweis auf die Existenz eines langlebigen Yb-Ions. In Kombination mit Abschatzungen zum Felddetachment negativer Ionen im elektrischen Feld des Quadrupolmassenspektrometers ergibt sich aus diesen Befunden die Aussage, das die Bindungsenergie von Yb-Ionen * falls sie uberhaupt existieren * geringer als 2 meV sein mus. Die Resultate dieser Arbeit konnten die scharfe Resonanz fur Ca-Bildung bei n = 23.9, die von McLaughlin und Duquette beobachtet wurde, nicht reproduzieren. Die nach dem Resonanzmodell von I. I. Fabrikant vorhergesagte Bildung negativer Ca*Ionen bei EA(Ca) E!,(Ne(nl)) wurde nicht bestatigt. Das beobachtete resonanzartige Verhalten des Ratenkoeffizienten fur die Bildung von Ca und Sr in Stosen mit zustandsselektierten Rydberg-Atomen ist ahnlich mit den Ergebnissen fur die Bildung dipolgebundener molekularer Anionen. Dieses Verhalten kann durch ein Kurvenkreuzungsmodell oder eine modifizierte adiabatische Theorie beschrieben werden. Quantitativ ergibt sich aus KKM-Rechnungen folgende Relation zwischen der Bindungsenergie EA im Bereich 2-100 meV und der Position des Maximums n des Ratenkoeffizienten fur die Bildung schwachgebundener atomarer negativer Ionen: n = (225738 meV/ EA) bzw. EA = 225738 meV/(n).
Die Entwicklung der Methoden zur Laserkühlung von Atomen hat in den letzten 15 Jahren vielfältige wissenschaftliche Fortschritte erzielt. Ein sich dabei in den letzten Jahren neu entwickelndes Feld ist die Kombination der Laserkühlung mit der zustandsselektiven Anregung von Atomen in Rydberg-Zustände. Ein solches System wird als "gefrorenes Rydberg-Gas" bezeichnet. Dieser Name reflektiert die Tatsache, dass die Experimente mit diesen gekühlten Atomen auf einer Zeitskala ablaufen, auf der die thermische Bewegung zu vernachlässigen ist und nur die Wechselwirkung der Atome untereinander relevant ist. Gelingt es, solche kalten Rydberg-Atome in periodischen Potentialen zu speichern, so ergeben sich Möglichkeiten, dieses System für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) zu nutzen. Zur Untersuchung solcher Systeme wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau konzipiert und realisiert. Die dazu aufgebaute Apparatur wurde charakterisiert, indem Untersuchungen zur Laserkühlung von aus einem Dispenser emittierten 87Rb-Atomen in einer magneto-optischen Falle (MOT) durchgeführt wurden. Die hierbei gekühlten Atome wurden anschließend in eine Magnetfalle in Drahtfallengeometrie transferiert und konnten dort magnetisch gespeichert werden. Zur Speicherung von ultrakalten Atomensembles in periodischen Strukturen wurden die Möglichkeiten untersucht, aus periodisch angeordneten stromtragenden Leitern ein Gitter von zwei Magnetfallentypen (Quadrupol- und Ioffe-Pritchard-Fallen) zu konstruieren. Hierzu wurden aufbauend auf einzelnen Segmenten die Möglichkeiten der Konstruktion von Gittern untersucht. Diese Gitter erlauben es, drei verschiedene Grundkonfigurationen von Fallen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufzubauen, die theoretisch erläutert werden. Dabei wird auch eine experimentelle Realisierung solcher Gitter mit Quadrupol-Fallen vorgestellt. Hierbei wurde ein Gitter von 4 MOTs experimentell realisiert und untersucht. Im letzten Teil der Arbeit werden Experimente zur 2-Photonen Rydberg-Anregung und hochauflösenden Rydberg-Spektroskopie von 87Rb-Atomen vorgestellt. Hierbei wird zunächst das verwendete Anregungs- und Detektionsschema der Atome erläutert, gefolgt von Untersuchungen zur Stabilität und Leistungsfähigkeit des Lasersytems zur Rydberg-Anregung. Hierzu wurden hochauflösende Spektren in der Umgebung der beiden 41D-Feinstrukturzustände von 87Rb in Abhängigkeit vom elektrischen Feld aufgenommen und die feldabhängige Aufspaltung der Zustände untersucht. Zur Realisierung der erläuterten Schemata zur QIV ist es nötig, einzelne oder Ensembles von Atomen gezielt orts- und zustandsselektiv in Rydberg-Zustände anregen zu können. Erste Demonstrationsexperimente hierzu werden präsentiert. Abschließend wird über die Messung der Rabifrequenz durch Untersuchung der Autler-Townes-Aufspaltung des an das Lichtfeld gekoppelten 5S1/2->5P3/2-Übergangs berichtet.