Erzeugung und Charakterisierung ultrakalter Rubidium- und Ytterbiumatome - Auf dem Weg zu einem gemischten Quantengas

Abstract

Das Forschungsprojekt, in dessen Rahmen die Promotionsarbeit durchgefuhrt wurde, ist auf dem Themengebiet der ultrakalten atomaren Gase angesiedelt. Die speziellen Ziele in diesem Projekt sind Untersuchungen zur Mischbarkeit und Superfluiditat an gemischten Quantengasen aus paramagnetischen Rubidium(Rb)- und diamagnetischen Ytterbium(Yb)-Atomen, und insbesondere die kontrollierte (koharente) Erzeugung ultrakalter heteronuklearer Molekule, sowie die Erzeugung eines fermionischen Yb-Quantengases. Weiterfuhrende Untersuchungen zu dipolaren Quantengasen und Prazisionsmessungen erganzen die Vielfalt der moglichen Experimente an diesem System. Ein wichtiger Bestandteil meiner Promotionsarbeit war die Konzeption und der Aufbau einer neuartigen Apparatur, die es ermoglicht Gemische aus Quantengasen zu erzeugen. Die Tauglichkeit der Apparatur konnte mit der Erzeugung eines Rb-Bose-Einstein-Kondensates(BEC) und der Herstellung ultrakalter Yb-Ensembles demonstriert werden. Als weiterer Schwerpunkt wurden speziell die Eigenschaften des Yb beim Kuhlen und Fangen untersucht, um Erkenntnisse fur die weitere Vorgehensweise bei der Erzeugung eines gemischten Quantengases festzulegen. Hierbei wurden erstmals Sub-Doppler-Temperaturen in einer magneto-optischen Falle(MOT) mit fermionischem Yb beobachtet, sowie erstmals die Lebensdauer eines metastabilen Zustands gemessen. Die wesentlichsten Bestandteile der Apparatur sind eine speziell konstruierte Vakuumkammer, eine Reihe von Lasersystemen, komplexe optische Aufbauten, sowie ein komplexes System aus Elektromagneten. Damit ist es moglich, zwei Atomsorten unabhangig voneinander zu fangen und zu kuhlen. Hierzu wurden MOTs sowie eine Magnetfalle(MT) und eine bichromatische optische Dipolfalle(ODT) konzipiert, und bis auf die ODT auch im Experiment eingesetzt, womit die unabhangige Kontrolle und Manipulierbarkeit beider Spezies moglich ist. Die Rb-Atome wurden aus einer MOT mit >10^9 Atomen im F=2,m_F=2-Zustand mit einer Temperatur von einigen 100 mu K in die MT geladen, wo durch radiofrequenzinduzierte Verdampfungskuhlung bis zu Temperaturen von einigen 100 nK ein BEC mit bis zu 6 * 10^6 Atomen erzeugt wurde. Aus Lebensdauermessungen des magnetisch gespeicherten BECs konnte der Koeffizient fur Dreikorperverluste zu 1,3 * 10^{-29} cm^6/s bestimmt werden, was mit theoretischen Vorhersagen und anderen experimentellen Befunden ubereinstimmt. Da keine technischen Limitationen der Lebensdauer beobachtet wurden, erfullt die im Rahmen dieser Doktorarbeit konzipierte und erstellte Apparatur hinsichtlich der Erzeugung eines Rb-BECs alle erforderlichen Voraussetzungen. Im zweiten Abschnitt meiner Promotion wurden speziell die Eigenschaften von Yb untersucht. Es wurden alle sieben stabilen Yb-Isotope mit Atomzahlen von bis zu 2 * 10^7 in eine MOT auf dem 1S_0 -> 1P_1-Ubergang geladen. Hierbei wurden erstmals bei fermionischen Yb-Isotopen durch Polarisationsgradientenkuhlung in einer MOT Temperaturen weit unter dem Dopplerlimit von 672 mu K erreicht und die Abhangigkeit von experimentellen Parametern untersucht. Die minimal erreichten Temperaturen lagen bei 10 mu K und 80 mu K fur {173}Yb bzw. {171}Yb. Dieses fur den weiteren Fortgang des Experiments sehr wichtige Ergebnis ermoglicht fur die fermionischen Yb-Isotope im Gegensatz zu den Bosonen, bei denen keine Sub-Dopplerkuhlung moglich ist, ein vereinfachtes Kuhlverfahren. Um die Moglichkeiten und Limitationen des simultanen Einschlusses beider Spezies in dieser Apparatur zu untersuchen, wurde eine gemischte MOT aus Rb- und Yb-Atomen erzeugt. Die hierbei beobachteten verminderten Atomzahlen im Vergleich zu den einzelnen MOTs fuhren dazu, dass fur die Erzeugung eines gemischten Quantengases ein alternatives Ladeschema erforderlich ist, das nicht auf einer gemischten MOT basiert. Ein solches Ladeschema wurde aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit konzipiert und soll im weiteren Verlauf des Projekts umgesetzt werden. Ein moglicher Weg zu einem gemischten Quantengas fuhrt uber das zwischenzeitliche magnetische Speichern von Yb im metastabilen ^3P_2-Zustand, der im Gegensatz zum nicht magnetisch fangbaren diamagnetischen Grundzustand des Yb ein magnetisches Moment von mu = 3 \mu_B besitzt und damit in einer MT gespeichert werden kann. Uber einen naturlichen Zerfallskanal fallen die Yb-Atome aus dem MOT-Zyklus in den metastabilen ^3P_2-Zustand wodurch eine durch das MOT-Magnetfeld gebildete MT kontinuierlich geladen wird. Hierbei war es moglich bis zu 4 * 10^5 Atome zu fangen. Untersuchungen der Magnetfalle ergaben fur das bosonische ^{174}Yb Lebensdauern von bis zu 13,7 s und fur das fermionische ^{173}Yb Lebensdauern von bis zu 11 s, die in beiden Fallen atomzahlabhangig waren. Die langsten Lebensdauern sind dabei in guter Ubereinstimmung mit der bisher nur theoretisch berechneten naturlichen Lebensdauer von 14,5 s fur ^{174}Yb. Die beobachtete Abhangigkeit von der Atomzahl bei ^{174}Yb konnte auf dichteabhangige Verluste zuruckgefuhrt werden, wobei die Verlustrate zu (1,4 +/- 1,0) * 10^{-10}cm^3/s bestimmt wurde. Aufgrund der komplizierten Niveaustruktur von ^{173}Yb war eine Bestimmung hier nicht moglich. Die Bestimmung dieser Verlustkonstanten war essentiell fur den weiteren Fortgang des Experiments, da sie eine direkte Herbeifuhrung der Quantenentartung im metastabilen Zustand ausschliest, aber weiterhin die Moglichkeit zur zwischenzeitlichen Speicherung in diesem Zustand offen last. Die gemessenen Lebensdauern geben erstmalig experimentell ermittelte Grenzwerte fur die Lebensdauer des metastabilen Triplettzustands von Yb an.