This thesis explores ensembles of ultracold atoms, trapped and
cooled in dark optical lattices. In this type of optical lattice,
atoms are trapped in quantum states which are decoupled from the
trapping light field. Therefore, elastic scattering - the main
process limiting the density of atoms in optical lattices - is
significantly reduced. This entails the chance to overcome the
density limit existing in conventional
optical lattices. We explore a novel scheme for density
enhancement which allows for a four-fold density increase over the
initial density of the magneto-optical trap (MOT). We load
atoms from the MOT into a modified optical lattice
consisting of a three-dimensional dark optical lattice and a
far-detuned optical dipole trap. Atoms are now cooled down in the potentials of dark optical lattice at typical
densities of a MOT. The enhancement
procedure is based on a time sequence composed of cooling and
trapping cycles inside the dark optical lattice and cycles of free
evolution in an array of microscopic potentials formed by the
dipole trap.
Im Rahmen dieser Arbeit werden kalte Atome in einem dunklen
optischen Gitter untersucht. In diesem Typ von optischem Gitter
sind die Atome in Zustanden gefangen, die nur schwach mit dem
Lichtfeld wechselwirken. Dadurch ist die elastische Komponente
der Photonenstreuung, die in konventionellen optischen Gittern fur
die Begrenzung der atomaren Dichte verantwortlich ist, erheblich
reduziert. Deswegen wird es moglich in dunklen optischen Gittern
die Dichtebegrenzung konventioneller optischer Gitter zu ubertreffen. Wir untersuchen eine neue
Methode der Dichteerhohung, mit der wir einen vierfachen Anstieg
der atomaren Dichte gegenuber der Anfangsdichte in der MOT
erreichen. Die Atome werden aus einer magneto-optischen Falle in eine Uberlagerung von zwei optischen Fallen
geladen. Diese ist durch ein drei-dimensionales dunkles optisches
Gitter und eine fernverstimmte optische Stehwellen-Dipolfalle
gebildet. Das Verfahren der Dichteerhohung basiert auf
abwechselnden Zyklen der Kuhlung und Lokalisierung in dem dunklen
optischen Gitter und Zyklen der freier Expansion in den
Mikropotentialen der optischen Stehwellen-Dipolfalle.
This thesis explores ensembles of ultracold atoms, trapped and
cooled in dark optical lattices. In this type of optical lattice,
atoms are trapped in quantum states which are decoupled from the
trapping light field. Therefore, elastic scattering - the main
process limiting the density of atoms in optical lattices - is
significantly reduced. This entails the chance to overcome the
density limit existing in conventional
optical lattices. We explore a novel scheme for density
enhancement which allows for a four-fold density increase over the
initial density of the magneto-optical trap (MOT). We load
atoms from the MOT into a modified optical lattice
consisting of a three-dimensional dark optical lattice and a
far-detuned optical dipole trap. Atoms are now cooled down in the potentials of dark optical lattice at typical
densities of a MOT. The enhancement
procedure is based on a time sequence composed of cooling and
trapping cycles inside the dark optical lattice and cycles of free
evolution in an array of microscopic potentials formed by the
dipole trap.
Im Rahmen dieser Arbeit werden kalte Atome in einem dunklen
optischen Gitter untersucht. In diesem Typ von optischem Gitter
sind die Atome in Zustanden gefangen, die nur schwach mit dem
Lichtfeld wechselwirken. Dadurch ist die elastische Komponente
der Photonenstreuung, die in konventionellen optischen Gittern fur
die Begrenzung der atomaren Dichte verantwortlich ist, erheblich
reduziert. Deswegen wird es moglich in dunklen optischen Gittern
die Dichtebegrenzung konventioneller optischer Gitter zu ubertreffen. Wir untersuchen eine neue
Methode der Dichteerhohung, mit der wir einen vierfachen Anstieg
der atomaren Dichte gegenuber der Anfangsdichte in der MOT
erreichen. Die Atome werden aus einer magneto-optischen Falle in eine Uberlagerung von zwei optischen Fallen
geladen. Diese ist durch ein drei-dimensionales dunkles optisches
Gitter und eine fernverstimmte optische Stehwellen-Dipolfalle
gebildet. Das Verfahren der Dichteerhohung basiert auf
abwechselnden Zyklen der Kuhlung und Lokalisierung in dem dunklen
optischen Gitter und Zyklen der freier Expansion in den
Mikropotentialen der optischen Stehwellen-Dipolfalle.
Atominterferometrie ist eine leistungsstarke Methode um fundamentale Physik zu untersuchen, dies beinhaltet Tests zu Quanteneffekten von Gravitation und die Suche nach neuen Kräften und dunkler Energie. Eine der wesentlichen Beschränkungen bei konventionellen Atominterferometern ist die endliche Zeit, in derer sich die Atome im freien Fall befinden, dies beschränkt die erreichbare Abfragezeit und damit die Messgenauigkeit. Diese Beschränkung kann überwunden werden indem man ein optisches Gitter benutzt, in welchem die Atome gegen die Schwerkraft gehalten werden, was zu höheren Interaktionszeiten führt und damit höhere Sensitivität ermöglicht. Für ein effizientes Fangen von kalten Atomen in dem optischen Gitterpotential müssen die Atome zu niedrigen Temperaturen gekühlt werden. Diese Arbeit beschreibt, wie eine kalte Wolke aus 39K-Atomen mithilfe einer 3D-magneto-optischen Falle (MOT) und Gray Molasses generiert werden kann. Ein Laser-Setup für Gray Molasses auf der D1-Linie wurde konzipiert und aufgebaut. Dieses Setup wird es uns ermöglichen in zukünftigen Experimenten Temperaturen im Bereich von wenigen μK zu erreichen. Zusätzlich wurde das Abbildungssystem kalibriert, sodass quantitative Messungen der Anzahl an Atomen und Temperaturmessungen durchgeführt werden können. Durch eine Optimierung des bestehenden D2-Licht-Setups konnten wir 39K-Atome in einer 3D-MOT kühlen und fangen. Wir erreichten eine maximale Anzahl von ∼106 Atomen in unserer Atomwolke.
Das Gebiet der Nichtgleichgewichtsdynamik stark korrelierter Quantensysteme beinhaltet eine Vielzahl interessanter Fragestellungen, erweist sich dabei allerdings oftmals als schwer zugänglich für gängige numerische und analytische mathematische Methoden. In den letzten Jahren hat sich durch die experimentelle Realisierung gut kontrollierbarer quantenmechanischer Systeme die Möglichkeit eröffnet, Experimente als Quantensimulatoren für das Verhalten komplexer Vielteilchensysteme zu benutzen. Ultrakalte Atome in optischen Gittern eignen sich hervorragend als Simulatoren für simple Festkörpersysteme, da sich sämtliche Parameter der zugrunde liegenden Hamiltonoperatoren präzise kontrollieren lassen und der Zustand der Systeme mit einer Vielzahl an Messmethoden untersucht werden kann. In unseren Experimenten realisieren wir Bose-Hubbard Systeme durch ultrakalte 39K Atome in blau verstimmten optischen Gittern. Zusätzliche optische Dipolpotenziale und magnetische Feshbach-Resonanzen erlauben es uns dabei, die Parameter der Systeme zu jedem Zeitpunkt beliebig zu variieren. Dadurch sind die von uns erzeugten Systeme in besonderem Maße dazu geeignet, Nichtgleichgewichtseffekte zu untersuchen. Unser Hauptaugenmerk liegt auf der Untersuchung der Expansionsdynamik wechselwirkender Atome in homogenen Gittern. Wir beginnen unsere Experimente mit einem Anfangszustand im tiefen Gitter, der aus lokalisierten Atomen auf maximal einfach besetzten Gitterplätzen besteht. Durch gleichzeitiges schnelles Verringern der Gittertiefe und der externen Potenziale werden die Atome in ein homogenes Gitter entlassen und die Zeitentwicklung ihrer Dichteverteilung wird durch Absorptionsabbildungen festgehalten. Es zeigt sich, dass sowohl die Wechselwirkung zwischen den Atomen als auch die Dimensionalität der Gitter einen starken Einfluss auf die Dynamik haben. In allen integrablen Grenzfällen des Bose-Hubbard Modells verhalten sich die Atome ballistisch und expandieren mit hoher Geschwindigkeit, doch sobald sich das System außerhalb der integrablen Regime befindet verringert sich die Expansionsgeschwind-igkeit drastisch. Diese verringerte Geschwindigkeit geht einher mit der Ausbildung charakteristischer bimodaler Dichteverteilungen, die auf eine diffusive Dynamik schließen lassen. Für stark wechselwirkende Systeme können wir einen dimensionalitätsabhängigen Übergang zwischen ballistischer Dynamik im 1D hard-core-regime und diffusiver Dynamik im 2D Fall beobachten sowie eine starke Verringerung der Expansionsgeschwindigkeit, wenn der Anfangszustand des Systems mehrfach besetzte Gitterplätze enthält. Des Weiteren beobachten wir die Erzeugung solcher Mehrfachbesetzungen nach dem Entlassen der Atome, deren schnelle Entwicklung auf eine lokale Relaxationsdynamik hin zu quasistationären Werten deuten lässt. Als Letztes untersuchen wir die Entwicklung der Quasiimpulsverteilung stark wechselwirkender expandierender Atome, die laut theoretischer Vorhersagen eine vorübergehende Quasikondensation zeigen sollen, bei der sich scharfe lokale Maxima in der Quasiimpulsverteilung bei endlichen Quasiimpulsen bilden. Wir beobachten die Entstehung nicht-thermischer Quasiimpulsverteilungen die Maxima an den vor-hergesagten Positionen zeigen. Allerdings sind die von uns beobachteten Maxima wesentlich breiter als die vorhergesagten und wir diskutieren eine Reihe möglicher Erklärungen für diese Verbreiterung sowie Vorschläge zur Verbesserung zukünftiger Experimente.
Folgend auf den ersten Realisierungen von Bose-Einstein Kondensaten erschienen weitere innovative Experimente, die sich in den optischen Gittern gefangenen Quantengasen widmeten. In diesen zahlreichen, wissenschaftlichen Untersuchungen konnten die Eigenschaften von Bose-Einstein Kondensaten besser verstanden werden. Das Prinzip von Vielteilchensystemen, gefangen in einem periodischen Potential, bot eine Plattform zur Untersuchung weiterer Quantenphasen. Eine konzeptionell einfache Modifikation von solchen Systemen erhält man durch die Kopplung der Grundzustände der gefangenen Teilchen an hoch angeregten Zuständen mithilfe einer externen Lichtquelle. Im Falle dessen, dass diese Zustände nahe der Ionisationsgrenze des Atoms liegen, spricht man von Rydberg-Zuständen und Atome, welche zu diesen Zuständen angeregt werden, bezeichnet man als Rydberg-Atome. Eines der vielen charakteristischen Eigenschaften von Rydberg-Atomen ist die Fähigkeit über große Entfernungen jenseits der atomaren Längenskalen zu wechselwirken. Im Rahmen von Vielteilchensystemen wurden dementsprechend Kristallstrukturen aus gefangenen Rydberg-Atomen experimentell beobachtet. Nun stellt sich die Frage, was mit einem gefangenen Bose-Einstein Kondensat passiert, dessen Teilchen an langreichweitig wechselwirkenden Zuständen gekoppelt sind. Gibt es ein Parameterregime, in dem sowohl Kristallstruktur als auch Suprafluidität in solchen Systemen koexistieren können? Dies ist die zentrale Frage dieser Arbeit, die sich mit der Theorie von gefangenen Quantengasen gekoppelt an Rydberg-Zuständen auseinandersetzt.
Aufgrund der vielfältigen Manipulationsmöglichkeiten von atomaren Systemen mit Lichtfeldern ist die Präparation und Untersuchung von kalten Atomen und Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Potentialen ein interessantes und aktives Forschungsgebiet.In vielen Experimenten wird ein Bose-Einstein-Kondensat zunächst durch evaporative Kühlung in einer Magnetfalle erzeugt und dann in ein optisches Potential umgeladen.Häug ist es aber wünschenswert, das Bose-Einstein-Kondensat direkt in einem optischen Potential zu erzeugen, so dass auf den Einsatz einer Magnetfalle komplett verzichtet werden kann.Dies ist die zentrale Motivation für die hier beschriebenen Experimente.Mehreren Arbeitsgruppen ist es bereits gelungen, Quantenentartung durch evaporatives Kühlen in einer CO 2 -Laser Dipolfalle zu erzeugen.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zur evaporativen Kühlung von 87 Rb-Atomen in einer Dipolfalle, die mit einem technisch wesentlich einfacher handhabbaren Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1030 nm erzeugt wird.Aufgrund seiner Wellenlänge hat ein Laser dieser Art im Vergleich zu einem CO 2 -Laser den Vorteil, dass für den optischen Aufbau der Dipolfalle optische Standardkomponenten benutzt werden können.Ausgangspunkt für diese Experimente stellte eine bereits für frühere Experimente verwendete Apparatur zur Erzeugung kalter Ensembles von 85 Rb dar.Da es aufgrund der attraktiven Wechselwirkung sehr schwierig ist, ein Bose-Einstein-Kondensat aus 85 Rb-Atomen zu erzeugen, wurde das Experiment für die Verwendung von 87 Rb umgebaut.Mit dem neuen Aufbau ist es nun möglich, bis zu 10 9 87 Rb-Atome in der magneto-optischen Falle zu fangen.Es wurde ein Dipolfallenaufbau realisiert, der es ermöglicht sowohl Einzelstrahldipolfallen als auch gekreuzte Dipolfallen zu erzeugen.Die Atome werden direkt aus einer magneto-optischen Falle in die Dipolfalle geladen.Da es für eine eziente evaporative Kühlung essentiell ist mit einer hohen Anfangsteilchendichte zu starten, wurde das Ladeverhalten der Dipolfalle detailliert untersucht und optimiert.Es konnten bis zu 150.000Atome in eine gekreuzte Dipolfalle geladen werden.Neben einer Optimierung des Umladeprozesses ist auch eine Optimierung der Fallengeometrie für die evaporative Kühlung notwendig.Daher wurden Dipolfallen mit verschiedenen Fokusgröÿen des Dipolfallenstrahls untersucht und das atomare Ensemble in der Dipolfalle wurde durch Herunterrampen der Leistung des Fallenlasers evaporativ gekühlt.Die bisher besten Ergebnisse konnten in einer gekreuzten Dipolfalle mit einer Fokusgröÿe von etwa 40 µm erreicht werden.Ausgehend von einer Phasenraumdichte von etwa 2 × 10 -4 und einer Temperatur von 60 µK konnten durch die evaporative Kühlung Temperaturen unterhalb von 200 nK bei einer Phasenraumdichte von etwa 0,2 erreicht werden.Die Teilchenzahl reduzierte sich dabei von etwa 60.000 auf etwa 3.500.
Optical lattices are periodic arrangements of laser cooled atoms trapped in potentials created by the interference of multiple laser beams. In this dissertation, we describe a series of experiments performed using optical lattices that exploit the coherence of atoms and we also look at new ways to cool the atoms. With a sudden shift of the optical lattice, atomic wavepackets can be created that evolve much like a classical particle. Using a photon redistribution technique, we have characterized the oscillation of wavepackets in the anharmonic potential wells. Atoms will quantum mechanically tunnel between lattice sites with a sufficiently shallow potential. Due to the structure of the optical lattices that are used, while the atom is tunneling, its internal angular momentum state must change. We use this change to detect and characterize the tunneling. The change in internal state leads to the formation of a new potential that acts on the atom, which is known as a gauge potential, which does not depend on the light intensity, but depends only on the geometry of the lattice. We have for the first time measured and characterized this gauge potential. Finally, by randomly modulating the lattice potential, we have demonstrated that tunneling can be suppressed. We have shown that an enhancement of the Sisyphus cooling process, which localizes atoms in the wells of an optical lattice, is possible using a bichromatic standing wave. A time of flight technique is used to verify the cooling improvement. We combine the techniques developed in these experiments and apply them to the cooling of the trapped atoms using a feedback mechanism, which is analogous to the well known technique of stochastic cooling in the field of beam physics. Lastly, we have laid the theoretical basis for using the ponderomotive force to create optical lattices for laser cooled Rydberg atoms. Rydberg atoms are attractive because of their many extreme properties, and the ability to trap Rydberg atoms into lattice sites will increase the range of experiments and measurements that can be made with them.
We demonstrate a new type of optical lattice which confines atoms in nearly dark states. The lattice is formed by cooperation of an optical standing wave detuned to the blue with respect to an atomic $F\phantom{\rule{0ex}{0ex}}=\phantom{\rule{0ex}{0ex}}1\ensuremath{\rightarrow}F\phantom{\rule{0ex}{0ex}}=\phantom{\rule{0ex}{0ex}}1$ transition and a homogeneous magnetic field. The atoms are predominantly localized where the light is purely $\ensuremath{\pi}$ polarized such that they are optically pumped to the mF=0 Zeeman component which is decoupled from the light field. We have observed quantized vibrations of the localized atoms by means of probe transmission spectroscopy. Our ``dark'' optical lattice works in two and three dimensions.