In dieser Arbeit werden Quanteneffekte in den mechanischen Eigenschaften eines nanomechanischen Balkenresonators untersucht. Dabei werden zunaechst Quantenfluktuationen der transversalen Auslenkung des Resonators behandelt. Diese lassen sich durch zwei Verfahren verstaerken, dynamisch mittels parametrischer Resonanz, oder statisch durch longitudinale Kompression bis nahe der Euler-Instabilitaet, bei der sich der Nanobalken klassisch zur Seite biegt. Desweiteren werden die Analogien zu makroskopischer Quantenkohaerenz und makroskopischem Quantentunneln in einer quantenmechanischen Beschreibung des Balkens jenseits der Euler-Instabilitaet diskutiert. Als Modell-Balken wird dabei ein Single-Wall-Carbon-Nanotube von 0.1 Mikrometer Laenge verwendet. Seine ausgezeichneten elastischen Eigenschaften und seine geringe Masse (etwa 20000 C-Atome) machen ihn zum bestmoeglichen Kandidat zum Nachweis von makroskopischen Quanteneffekten, und seine thermischen Fluktuationen der mittleren Auslenkung in Balkenmitte sind bereits im Experiment gemessen worden. Das Quantenregime fuer diese Fluktuationen ist aufgrund der sehr hohen Resonatorfrequenzen im GHz-Bereich ebenfalls experimentell zugaenglich; die Quantenfluktuationen selbst sind zwar mit (0.01 Nanometer)^2 sehr klein, aber mit neuesten, extrem sensitiven Sensoren im Prinzip detektierbar. Dynamisch lassen sich die Fluktuationen unter Ausnutzung der parametrischen Resonanz bis auf etwa (1 Nanometer)^2 verstaerken, aber nur in einem sich periodisch aufschaukelndem Nichtgleichgewichtsprozess, sodass zu deren Nachweis eine stroboskopische Messmethode verwendet werden muss. Auch durch longitudinale Kompression bis sehr nahe an die Euler-Instabilitaet, zum Beispiel durch piezoelektrisches Druecken, lassen sich die Quantenfluktuationen verstaerken, und zwar bis zu einer neuen, rein quantenmechanisch bestimmten Skala von etwa 0.1 Nanometer; die parallel dazu reduzierte Frequenzskala ist fuer typische solche Nanotubes im Bereich von 10 MHz. Jenseits der Euler-Instabilitaet laesst sich der Balken quantenmechanisch in einer Superposition aus "nach links" und "nach rechts" gebogen beschreiben. Die dann niedrigste Anregungsenergie, die Tunnelfrequenz des entsprechenden Zweizustandsystems, betraegt nur noch einige MHz. Makroskopisches Quantentunneln aus einem durch kapazitive Kopplungen metastabil gemachten Zustand "links" ergibt eine sehr niedrige Uebergangstemperatur zum Quantenregime von 0.7 mK, man erhaelt dennoch eine Quantenkorrektur zum Temperaturverhalten des klassischen Arrhenius-Gesetzes. Insgesamt zeigen die hier vorgestellten Rechnungen, dass durch geeignete Kombination bereits durchgefuehrter Experimente oder verbesserte Kuehlmechanismen Quantenmechanische Effekte, besonders Quantenfluktuationen, in naher Zukunft tatsaechlich in makro(nano)skopischen mechanischen Systemen relevant werden koennen und die "Quantenmechanik" daher woertlich genommen werden sollte.
In dieser Arbeit werden Quanteneffekte in den mechanischen Eigenschaften eines nanomechanischen Balkenresonators untersucht. Dabei werden zunaechst Quantenfluktuationen der transversalen Auslenkung des Resonators behandelt. Diese lassen sich durch zwei Verfahren verstaerken, dynamisch mittels parametrischer Resonanz, oder statisch durch longitudinale Kompression bis nahe der Euler-Instabilitaet, bei der sich der Nanobalken klassisch zur Seite biegt. Desweiteren werden die Analogien zu makroskopischer Quantenkohaerenz und makroskopischem Quantentunneln in einer quantenmechanischen Beschreibung des Balkens jenseits der Euler-Instabilitaet diskutiert. Als Modell-Balken wird dabei ein Single-Wall-Carbon-Nanotube von 0.1 Mikrometer Laenge verwendet. Seine ausgezeichneten elastischen Eigenschaften und seine geringe Masse (etwa 20000 C-Atome) machen ihn zum bestmoeglichen Kandidat zum Nachweis von makroskopischen Quanteneffekten, und seine thermischen Fluktuationen der mittleren Auslenkung in Balkenmitte sind bereits im Experiment gemessen worden. Das Quantenregime fuer diese Fluktuationen ist aufgrund der sehr hohen Resonatorfrequenzen im GHz-Bereich ebenfalls experimentell zugaenglich; die Quantenfluktuationen selbst sind zwar mit (0.01 Nanometer)^2 sehr klein, aber mit neuesten, extrem sensitiven Sensoren im Prinzip detektierbar. Dynamisch lassen sich die Fluktuationen unter Ausnutzung der parametrischen Resonanz bis auf etwa (1 Nanometer)^2 verstaerken, aber nur in einem sich periodisch aufschaukelndem Nichtgleichgewichtsprozess, sodass zu deren Nachweis eine stroboskopische Messmethode verwendet werden muss. Auch durch longitudinale Kompression bis sehr nahe an die Euler-Instabilitaet, zum Beispiel durch piezoelektrisches Druecken, lassen sich die Quantenfluktuationen verstaerken, und zwar bis zu einer neuen, rein quantenmechanisch bestimmten Skala von etwa 0.1 Nanometer; die parallel dazu reduzierte Frequenzskala ist fuer typische solche Nanotubes im Bereich von 10 MHz. Jenseits der Euler-Instabilitaet laesst sich der Balken quantenmechanisch in einer Superposition aus "nach links" und "nach rechts" gebogen beschreiben. Die dann niedrigste Anregungsenergie, die Tunnelfrequenz des entsprechenden Zweizustandsystems, betraegt nur noch einige MHz. Makroskopisches Quantentunneln aus einem durch kapazitive Kopplungen metastabil gemachten Zustand "links" ergibt eine sehr niedrige Uebergangstemperatur zum Quantenregime von 0.7 mK, man erhaelt dennoch eine Quantenkorrektur zum Temperaturverhalten des klassischen Arrhenius-Gesetzes. Insgesamt zeigen die hier vorgestellten Rechnungen, dass durch geeignete Kombination bereits durchgefuehrter Experimente oder verbesserte Kuehlmechanismen Quantenmechanische Effekte, besonders Quantenfluktuationen, in naher Zukunft tatsaechlich in makro(nano)skopischen mechanischen Systemen relevant werden koennen und die "Quantenmechanik" daher woertlich genommen werden sollte.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der atomaren Nanofabrikation mit Lichtkräften im Quantenregime. In den vorangegangenen Arbeiten wurde für die nanostrukturierte Deposition neutraler Atome stets die klassisch beschreibbare induzierte Dipolkraft in weit verstimmten stehenden Lichtwellen verwendet. In exakt resonanten Lichtfeldern erwartet man aber klassisch keine Dipolkraft, da in diesem Fall der induzierte Dipol des Atoms und das Lichtfeld um 90 außer Phase schwingen. Quantenmechanisch befindet sich ein atomares Grundzustandswellenpaket, das sich in einem exakt resonanten Lichtfeld bewegt, in einer Superposition, die zu gleichen Teilen aus den Eigenzuständen des gekoppelten Systems, den so genannten dressed states besteht. Ist die Intensitätsverteilung des Lichtfeldes inhomogen, so erfahren die beiden dressed-state-Wellenpakete eine Kraftwirkung proportional zum Intensitätsgradienten, aber in entgegengesetzte Richtung. Während ein Teil zum Intensitätsmaximum gezogen wird, erfährt der andere Teil eine Kraftwirkung zum Intensitätsminimum. Verwendet man nun im atomaren Nanofabrikationsexperiment eine exakt resonante stehende Lichtwelle, führt dieser Effekt zu einer Halbierung der Periodizität der Nanostrukturen, so dass das für Zwei-Niveau Systeme gültige lambda/2 -Limit des konventionellen Schemas unterboten wird. Des weiteren zeigen die durchgeführten Experimente, dass die atomare Bewegung im resonanten Lichtfeld nicht nur durch die Kraftwirkung eines Intensitätsgradienten, sondern auch durch den Phasengradienten des Lichtfeldes am Knoten einer nicht perfekten stehenden Welle bestimmt wird. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war die Herstellung exakt periodisch angeordneter ferrimagnetischer Nanostrukturen. Dafür wurde die Anlage so umgebaut, dass die Nanostrukturen jetzt unter definierten Ultrahochvakuumbedingungen wachsen können. Um die Proben anschließend in die Molekularstrahlepitaxieanlage der Arbeitsgruppe Schatz transferieren zu können musste sie entsprechend kompatibel gestaltet werden. Basierend auf dem klassischen, weitverstimmten Nanofabrikationsschema konnten in der Ultrahochvakuumanlage reine Proben mit Chromnanostrukturen hohen Kontrastes produziert werden. Anschließend gelang der Transport in die Molekularstrahlepitaxieanlage, wo anschließend eine Platinschicht auf den Nanostrukturen abgeschieden wurde. Leider haben technische Probleme in der Epitaxieanlage den thermischen Annealingprozess, der letztendlich zur ferrimagnetischen Phase des Chrom-Platin-Systems führen sollte, bislang verhindert. Für die Erzeugung strukturierter ferrimagnetischer Nanolegierungen, aber auch für andere mögliche Anwendungen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die deponierten Nanostrukturen ein hohes Kontrastverhältnis aufweisen, d.h. der Untergrund muss soweit wie möglich reduziert werden. Weit rotverstimmte stehende Wellen sind dafür besser geeignet, da die Form des Dipolpotentials, das die Fokussierung des Atomstrahls bestimmt, sehr viel harmonischer ist als im blauverstimmten Fall, obwohl der Einfluss der spontanen Emission eher das Gegenteil vermuten ließe. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass der Untergrund im rotverstimmten Fall auf 13% reduziert wird, was auch mit theoretischen Rechnungen sehr gut übereinstimmt.
In dieser Arbeit wurden zwei experimentelle Techniken zum Studium der Dynamik atomarer Tunnelsysteme in ungeordneten AlOₓ-Schichten angewandt. Einzelne Tunnelsysteme konnten dabei im etwa 2 nm dünnen AlOₓ des Josephson-Kontaktes eines supraleitenden Qubits charakterisiert werden. Die Zustandsdichte der Tunnelsysteme wurde im 26 nm dünnen AlOₓ der Plattenkondensatoren, integriert in supraleitende planare Hochfrequenz-Resonatoren, studiert. Die Beschreibung einzelner mikroskopischer Tunnelsysteme anhand des Standard-Tunnelmodells erfolgt zunächst analog zum Modell der ZweiniveauSysteme, wie makroskopische Qubits oder Spins im Magnetfeld. Tunnelsysteme können dabei sowohl an elektrische, als auch an mechanische Felder koppeln und ihre Relaxationsprozesse können dabei durch die Wechselwirkung mit Phononen, den TS untereinander und überraschenderweise auch durch Quasiteilchen des Al bestimmt werden. Die Dynamik inkohärenter Fluktuatoren, die auf Zeitskalen von Stunden bis Millisekunden zwischen ihren beiden lokalisierten Zuständen wechseln, wurden mit einem gekoppelten Detektorsystem aus einem supraleitenden Qubit und einem kohärenten TS genauer betrachtet. Der Fluktuator beeinflusst das kohärente Tunnelsystem durch eine lokale mechanische Deformation, sodass die Resonanz des Tunnelsystems entsprechend des lokalisierten Zustandes des Fluktuators zwischen zwei diskreten Resonanzen wechseln kann. Aus dem Telegrafenrauschen der Resonanz des kohärenten Tunnelsystems, in Abhängigkeit der Zeit, kann die Energieaufspaltung des Fluktuators über das Verhältnis der beiden mittleren Aufenthaltszeiten in den lokalisierten Zuständen bestimmt werden. Sehr schnelle Fluktuationsraten, bei denen mit dem Messprotokoll des Qubits beide Resonanzen des Tunnelsystems „parallel“ gemessen werden, können anhand einer speziellen statistischen Analyse der Abfolge der einzelnen Messungen des Qubit-Zustandes bestimmt werden. Die Zustandsdichte von TS in AlOₓ wurde durch supraleitende planare Hochfrequenz-Resonatoren mit Resonanzen von 0,6-6 GHz untersucht. Eine Diskussion der komplexen dielektrischen Suszeptibilität erfolgte dabei zunächst analog zum Modell der Zweiniveau-Systeme. Der Verlust der Resonatoren, welcher durch den Imaginärteil der Suszeptibilität beschrieben wird, ist durch die große Feldstärke im Dielektrikum der Plattenkondensatoren durch das AlOₓ dominiert. Trotz der homogenen Feldverteilung im AlOₓ erscheint die Leistungsabhängigkeit der resonanten Absorption stärker als das Modell vorschlägt. Berücksichtigt man die nichtlineare Absorption der Tunnelsysteme, wird klar, dass die Auswertung der Resonanzkurven anhand idealer Lorentzkurven nicht korrekt ist. Bei jeder Frequenz der Resonanzkurve wird die Besetzungszahldifferenz der Tunnelsysteme mit der Leistung, die dort auf den Resonator übertragen wird, reduziert. Trägt man nur die Änderung der Amplitude genau bei der Resonanzfrequenz über der Anregungsleistung auf, folgt die erwartete Leistungsabhängigkeit des Modells der Zweiniveau-Systeme. Die Temperaturabhängigkeit der kritischen Intensität der resonanten Absorption ist außerdem ein Zugang zu den Relaxationsprozessen der Tunnelsysteme, da sie propotional zur Relaxationsrate und der Linienbreite der TS ist. Bei tiefen Temperaturen dominiert die Ein-Phonon-Relaxation. Die Linienbreite wird wiederum durch zwei Prozesse beeinflusst: Zum einen wird sie von der Ein-Phonon-Relaxation begrenzt und zum anderen mit steigender Temperatur durch eine temperaturabhängige, reine Dephasierung aufgrund der spektralen Diffusion dominiert. Direkte Messungen der Temperaturabhängigkeit der Relaxationsraten einzelner TS mit dem Phasen-Qubit von J. Lisenfeld haben dies ebenfalls bestätigt. Eine breitbandige Bestimmung der effektiven Dichte der TS erfolgt durch die Messung der temperaturabhängigen Frequenzverschiebung der Resonatoren, die durch den Realteil der Suszeptibilität beschrieben wird. Die daraus bestimmte effektive Zustandsdichte der TS wirft noch Fragen auf, da sie für die Messfrequenzen von 0,6-6 GHz von 2·10⁻² bis 3·10⁻³ ansteigt und nicht konstant ist, wie das Modell vorschlägt. Außerdem ist sie 2-3 mal größer als die effektive Dichte ermittelt aus der resonanten Absorption. Letzteres wurde bereits bei Messungen dielektrischer Gläser beobachtet. Numerische Berechnungen der dielektrischen Antwort erlauben den Vergleich des Modells der Zweiniveau-Systeme mit der Verteilungsfunktion des Standard-Tunnelmodells. Für die betrachteten resonanten Wechselwirkungen mit den Tunnelsystemen sind beide Modelle nahezu deckungsgleich. Dies bestätigt, dass symmetrische Tunnelsysteme diesen Prozess dominieren. Berücksichtigt man außerdem die gemessene Temperaturabhängigkeit der Linienbreite, ergibt diese eine Begrenzung der resonanten Wechselwirkungen bei hohen Temperaturen. Eine weitere Variation des Modells wurde mit einer modifizierten energieabhängigen Dichte der TS, als Ansatzt zur Beschreibung der experimentell bestimmten Variation der effektiven Dichte der TS gezeigt. Abschließend wird deutlich, dass die ungeordneten AlOₓ-Schichten ebenso wie makroskopische Gläser Defekte enthalten, deren Dichte im Josephson-Kontakt etwa 1,6·10¹⁷ pro K·cm³ beträgt, welche etwas kleiner als in den Plattenkondensatoren mit 8·10¹⁷ TS pro K·cm³ ist. Unklar ist bisher immer noch der Entstehungsprozess der Tunnelsysteme, wo sie sich tatsächlich befinden, und ob man die Stärke der Wechselwirkungen von Tunnelsystemen mit ihrer Umgebung durch verschiedene Herstellungsprozesse einstellen kann. In diesem Zusammenhang gibt es bereits Messungen, bei denen sowohl Struktur und Stöchiometrie mittels Transmissionselektronenmikroskopie, als auch dielektrische Messungen der AlOₓ Schichten durchgeführt werden. Ein Ansatz zur gezielten Manipulation der bereits betrachteten Tunnelsysteme sind Kreuzexperimente mit hochfrequentem Ultraschall, sowohl bei der Detektion einzelner Tunnelsysteme mit dem Qubit, als auch bei der Messung der Zustandsdichte von Tunnelsystemen mit den Resonatoren.
Bei der theoretischen Beschreibung von spektroskopischen Experimenten wird in der Regel das Materiesystem quantenmechanisch beschrieben, während das Strahlungsfeld klassisch behandelt wird. Diese semiklassische Näherung ist zur Beschreibung von Experimenten, bei denen eine starke Kopplung zwischen dem Matriesystem und einzelnen Photonen besteht, nicht mehr gültig. Dies kann beispielsweise innerhalb eines optischen Resonators der Fall sein. In dieser Arbeit wird am Beispiel eines Pump-Test- Experiments zum Nachweis des optischen Stark-Effekts untersucht, welche zusätzlichen Effekte sich bei einer quantisierten Beschreibung des Strahlungsfeldes ergeben. Ein signifikanter Effekt ist, dass die Photonenstatistik des Pumpfeldes sich in der Linienform der verschobenen Resonanzlinie widerspiegelt. Weiter wurde in dieser Arbeit bei kleiner Pumpverstimmung ein Verstärkungseffekt gefunden, der ebenfalls auf der quantisierten Behandlung des Strahlungsfeldes beruht (nichtklassische Verstärkung). Es treten ferner bei grosseren Ensemblen von Zwei-Niveau -Systemen zusätzliche Unterstrukturen und Resonanzen auf. Auch kann der Nachweis des optischen Stark-Effekts Aufschluss über die Nichtdiagonalelemente bezüglich der Photonenzahl des quantisierten Pumpfeldes geben.Im Hinblick auf die Beschreibung komplexer Materiesystemen wurde in dieser Arbeit auch eine näherungsweise Berechnung der Testabsorption mit quantisiertem Strahlungsfeld im Rahmen einer Dichtematrixtheorie untersucht. Insbesondere war hier für die quantitative Beschreibung der nichtklassischen Verstärkung eine Berücksichtigung hoherer Korrelationen zwingend erforderlich. Auch wurden näherungsweise Entkopp- lungen unter Berücksichtigung der Erhaltungsgrossen durch- geführt. Die Dichtematrixtheorie wurde auf die Untersuchung des optischen Stark-Effektes an storstellengebundenen Exzitonen in Halbleitern angewandt. Da diese Resonanzen vergleichsweise kleine homogene und inhomogene Linienbreiten aufweisen,ist hier experimentell zu erwarten, dass sich feine Effekte des quantisierten Pumpfeldes bemerkbar machen konnen.
Die Erforschung der Dynamik der Elektronen in kleinen metallischen Strukturen ist nicht nur mit dem Ziel der Miniaturisierung von Bauelementen und der damit möglichen Erhöhung von Integrationsdichte und Schaltfrequenzen verbunden. Von besonderem Interesse sind die neuen physikalischen Effekte, die durch verminderte Dimensionalität oder kleine Volumina in Erscheinung treten. Es zeigt sich, daß die aus dem Umgang mit sehr kleinen Objekten (Elementarteilchen, Atome, Moleküle) vertrauten Gesetze der Quantenmechanik eine wesentliche Rolle bei der Beschreibung der neuen Systeme spielen. Als Ergebnis wurden Möglichkeiten entwickelt, künstliche quantenmechanische Zwei-Niveau-Systeme auf Festkörperbasis makroskopisch zu realisieren. Solche quantum bits (Qubits) dienen als Grundbausteine eines künftigen Quantencomputers. Zur Untersuchung von Quanteneffekten in Anordnungen aus ultrakleinen metallischen Tunnelelementen wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst ein Meßplatz für Experimente bei sehr tiefen Temperaturen (wenige Millikelvin) aufgebaut. Dann wurden zwei neuartige Strukturierungsmethoden (SAIL-Methode, Präparation von Nanokreuzungen) zur Herstellung von ultrakleinen Tunnelkontakten als Alternative zur allgemein üblichen Schattenbedampfungstechnik erprobt. An Strukturen mit Nanokreuzungen wurden Einzelelektronen-Effekte reproduzierbar demonstriert. Das für den Nachweis von Quanteneffekten notwendige Cooperpaar-Tunneln wurde jedoch nicht beobachtet. An Strukturen, die mit der etablierten Schattenbedampfungstechnik hergestellt wurden, konnten Quanteneffekte gemessen werden. Mit Hilfe einer Impedanzmeßmethode wurde an sog. Ladungs-Qubits die Existenz von Zwei Niveau-Systemen spektroskopisch bestätigt. Weitere Meßdaten lassen sich als Landau-Zener-Übergänge zwischen den Niveaus interpretieren.
Phasenübergänge spielen in der Physik eine bedeutende Rolle. Es entspricht unserer Alltagserfahrung, dass Materie ihre Eigenschaften in Abhängigkeit von äußeren Parametern wie Volumen, Druck oder Temperatur bei Überschreiten gewisser Phasengrenzen grundlegend ändern kann. Eine solche Grenze stellt der Übergang eines klassischen Gases von Teilchen mit ganzzahligem Spin hin zu einem entarteten Quantengas dar: Die Bose-Einstein-Kondensation. Bei gegebener Dichte führt das kollektive Verhalten der Teilchen durch den Überlapp ihrer quantenmechanischen Wellenpakete unterhalb einer bestimmten Temperatur zu einer makroskopischen Besetzung nur eines Zustandes, sodass das Gesamtsystem durch nur eine Wellenfunktion beschrieben werden kann. Die Kondensation ist ein rein quantenstatistischer Effekt, basierend auf der grundlegenden Ununterscheidbarkeit bosonischer Teilchen, und somit unabhängig von der Existenz jeglicher Wechselwirkungen. Das in dieser Arbeit untersuchte zweidimensionale, harmonisch gefangene Photonengas in einem Farbstoff-Mikroresonator ist der Schwarzkörperstrahlung sehr ähnlich, unterscheidet sich jedoch in einem zentralen Punkt: Der verwendete Fluoreszenzfarbstoff kann, anders als die Wände des Schwarzkörpers, nicht thermisch angeregt werden, da die Anregungsenergie des elektronischen Übergangs um mehr als eine Größenordnung oberhalb der thermischen Energie liegt. Weiter muss der Farbstoff ein zuvor absorbiertes Photon zwangsläufig wieder emittieren, wobei es dem angeregten Farbstoffmolekül erlaubt ist, durch Stöße mit Lösungsmittelmolekülen Energie auszutauschen. Durch wiederholte Absorptions- und Reemissions-Prozesse koppelt das Photonengas so an das durch den Farbstoff gebildete Wärmebad und thermalisiert bei Raumtemperatur. Zudem beschränkt der Mikroresonator das Photonengas durch Festhalten des longitudinalen Wellenvektors auf seine beiden transversalen Freiheitsgrade. Dies führt zu einem nicht-trivialen Grundzustand mit einer unteren Abschneidefrequenz, sodass sich das Photonengas formal äquivalent zu einem Gas aus massiven bosonischen Teilchen verhält. Letzteres spiegelt sich auch in dem quadratischen Verlauf der Dispersionsrelation wider, welcher charakteristisch für ein Gas massiver Teilchen ist. Bei Erhöhung der Teilchenzahl kann der Phasenübergang zum Bose-Einstein-Kondensat beobachtet werden, indiziert durch die makroskopische Besetzung des Grundmoden im harmonischen Fallenpotential. Zentrales Thema der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung der Ordnungsparameter des Photonengases beim Übergang aus der klassischen, vollständig durch die Boltzmann-Statistik beschriebenen thermischen Phase hin zum quantenentarteten Bose-Einstein-Kondensat. Zunächst erfolgt eine Bestimmung der kalorischen Eigenschaften des Systems, insbesondere der inneren Energie, der spezifischen Wärme und der Entropie anhand von spektroskopischen Messungen der Photonenzahlverteilung im Mikroresonator. Dabei zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit den Erwartungen gemäß der Theorie des idealen Bosegases. Im Grenzfall hoher Temperaturen (geringer Teilchenzahlen) verhält sich das Photonengas wie ein klassisches einkomponentiges Gas, dessen Gesamtenergie gemäß des Äquipartitionstheorems mit der Temperatur und der Anzahl an Freiheitsgraden skaliert. Für tiefe Temperaturen (hohe Teilchenzahlen) strebt der Energieinhalt pro Teilchen des kondensierten Systems gegen 0, was gleichbedeutend ist zu einer unendlich großen Kompressibilität, wie sie für das ideale Bosegas zu erwarten ist. Der Phasenübergang wird besonders eindrucksvoll durch den spitzen Verlauf der spezifischen Wärme sichtbar, ähnlich dem bekannten λ-Übergang von flüssigem 4He in seine suprafluide Phase. In einem weiteren Schritt erfolgt eine interferometrische Untersuchung der Korrelationen erster Ordnung, die als direkte Indikatoren für den Grad an Ordnung im System dienen. In der thermischen Phase fällt die transversale Kohärenz auf einer von der thermischen de Broglie Wellenlänge vorgegebenen Längenskala ab. Dabei zeigt diese sowohl eine quantitative Übereinstimmung mit der Erwartung für ein Teilchen mit einer Masse, die der effektiven Photonenmasse im Resonator entspricht, als auch die erwartete Skalierung mit der Temperatur. Es konnte somit im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmalig die tatsächliche thermische de Broglie Länge eines photonischen Systems vermessen werden. Überdies konnte gezeigt werden, dass der Phasenübergang zum Kondensat einsetzt, sobald die theoretisch erwartete Phasenraumdichte erreicht ist. Die Annahme, dass die Quantennatur der Teilchen genau dann eine dominierende Rolle einnimmt, wenn ihre Wellenpakete überlappen, konnte somit für ein photonisches System verifiziert werden. Mit Einsetzen der Kondensation wächst die Kohärenz rasch an, sodass eine das gesamte System umfassende, langreichweitige Ordnung etabliert wird. In der Gesamtbetrachtung zeigt sich, dass das harmonisch gefangene, zweidimensionale Photonengas im farbstoffgefüllten Mikroresonator der Realisierung eines idealen Bosegases unerreicht nahe kommt.
Der auf der quantenmechanischen Interferenz von Absorptionsamplituden beruhende Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) gestattet die Transmission von Licht durch sonst für resonante optische Felder undurchlässige atomare Medien. Mit diesem Phänomen geht eine drastische Reduktion der Gruppengeschwindigkeit einher, welche mehrere Größenordnungen geringer sein kann als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Mit der langsamen Ausbreitung des Lichtfeldes werden Quasiteilchen, die sogenannten Dunkelzustandspolaritonen, assoziiert, welche eine Überlagerung atomarer Spinwellenanteile und photonischer Komponenten darstellen. In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften dieser Quasiteilchen in kohärent präparierten Medien unter dem Einfluß der Lichtspeicherung, einer Technik zur reversiblen Übertragung optischer Information in den kollektiven kohärenten Zustand eines atomaren Ensembles, untersucht. Es wird gezeigt, dass bei der Speicherung von Licht in Dreiniveausystemen mit zwei stabilen Grundzuständen, den sogenannten Lambda-Systemen, eine starke Verschiebung der optischen Trägerfrequenz in Richtung der Zweiphotonenresonanz auftritt, sobald die atomare Kohärenz in Photonen der neu erzeugten Signalfeldmode rücktransformiert wird. Es wird erwartet, dass dieser Effekt für beliebige Werte der Zweiphotonenverstimmung des eingestrahlten Signalfeldes innerhalb des Transparenzfensters einer Dunkelresonanz und für beliebige Ausrichtungen der Signalfelder bezüglich des Kontrollstrahls gültig ist. Für den im Experiment untersuchten Spezialfall kopropagierender optischer Felder wurde im Rahmen der Fehlergrenzen die erwartete Anpassung an die atomare Übergangsfrequenz zwischen den Grundzuständen beobachtet. Dieser nichtdissipative Effekt kann zur Vermessung der Energiedifferenz zwischen den Grundzuständen herangezogen werden, ohne dass eine genaue Kenntnis der optischen Frequenz des Signalfeldes erforderlich ist. Das demonstrierte Verfahren stellt einen neuartigen Ansatz für die Raman-Spektroskopie dar, welcher sich auch auf den Fall von Zweiphotonenübergängen in Systemen mit einer leiterartigen Kopplung übertragen lassen sollte. Das beschriebene spektroskopische Verfahren kann prinzipiell auch für nichtklassische Lichtzustände wie gequetschtes Licht und für einzelne Photonen angewendet werden. Da der Quantenzustand von der Prozedur nicht beeinträchtigt wird, könnten dadurch Möglichkeiten für Messungen atomarer Übergangsfrequenzen und von Magnetfeldern mit quantenlimitierter Genauigkeit eröffnet werden. Des Weiteren wurde im Rahmen dieser Arbeit die simultane Speicherung von zwei optischen Signalfeldmoden in einem aus Vierniveauatomen bestehenden Medium mit Dreibeinkopplung untersucht. Es wird gezeigt, dass die Speicherung von Dunkelzustandspolaritonen mit einer internen Zweiniveaustruktur, welche den entgegensetzt zueinander zirkular polarisierten optischen Signalfeldern zugeordnet werden, mittels Abbildung auf Spinwellenkohärenzen des atomaren Ensembles möglich ist. Der Nachweis, dass die optische Schwebungsfrequenz der Signalfelder nach der Speicherung durch die Übergangsfrequenz der Zeeman-Subniveaus des Grundzustands bestimmt wird, bestätigt den im Dreiniveausystem beobachteten Effekt der Frequenzanpassung. Die bei der Speicherung von Licht auftretende Frequenzanpassung ist auch im Hinblick auf Anwendungen im Zusammenhang mit der räumlichen Manipulation von Licht in Medien unter den Bedingungen der elektromagnetisch induzierten Transparenz von Interesse. In diesem Zusammenhang wurde experimentell die auf Phasenaufprägung zurückgeführte Ablenkung von Signalstrahlpulsen während der Speicherungsphase in Anwesenheit eines inhomogenen Magnetfeldes untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dispersion im Vergleich zur Stern-Gerlach-artigen Ablenkung in Experimenten mit kontinuierlich eingestrahlten Signalfeldern um mehrere Größenordnungen unterdrückt wird. Das durchgeführte Experiment lässt sich als grundsätzliche Demonstration eines nichtdispersiven optischen Elements interpretieren und stellt einen Ansatz zur Implementierung von optisch kontrollierten Linsen, Deflektoren oder adaptiven Optiken dar. Systeme mit einer sehr niedrigen Grundzustandsdekohärenz, die lange Speicherungsphasen ermöglichen, könnten sich außerdem für den Einsatz als magnetische Gradiometer eignen. Derart aufgebaute Vorrichtungen könnten in Zukunft ebenso von Speicherungstechniken für nichtklassische Lichtzustände profitieren wie Magnetometer oder Atomuhren auf Basis der Frequenzanpassung. Anwendungen im Bereich der Quantenspeicherung sind ebenfalls denkbar, wo die demonstrierte Methode möglicherweise zur Adressierung paralleler Kanäle dienen könnte. Eine Beschreibung aktuell durchgeführter, noch nicht abgeschlossener, Experimente, die auf den Nachweis des Aharonov-Casher-Effekts für langsames Licht abzielen, ist Gegenstand des abschließenden Teils dieser Arbeit. Erste Ergebnisse, die mit Dunkelzustandspolaritonen im Dreibeinsystem erzielt wurden, werden vorgestellt und im Hinblick auf die Vorhersagen eines theoretischen Modells diskutiert.