In dieser Arbeit entwickeln wir eine nichtrelativistische Theorie zur quantenmechanischen Beschreibung longitudinaler Atomstrahl-Spinecho-Experimente, bei denen ein Strahl neutraler Atome eine Anordnung statischer elektrischer und magnetischer Felder durchquert. Der Gesamtzustand des Atoms ist die Lösung der Schrödinger-Gleichung mit matrixwertigem Potential und kann als Superposition lokaler (atomarer) Eigenzustände der Potentialmatrix geschrieben werden. Die orts- und zeitabhängigen Amplitudenfunktionen jedes Eigenzustands repräsentieren die atomaren Wellenpakete und können mit der von uns aufgestellten Master-Formel in einer Reihenentwicklung berechnet werden. Die nullte Ordnung dieser Reihenentwicklung beschreibt den adiabatischen Grenzfall, in höheren Ordnungen werden Mischungen der Zustände und der zugeordneten Amplitudenfunktionen berücksichtigt. Wir geben eine Anleitung zur theoretischen Beschreibung eines longitudinalen Atomstrahl-Spinecho-Experiments und des sogenannten Fahrplanmodells an, bei dem die Schwerpunktsbewegung der Wellenpakete in den angelegten Feldern grafisch dargestellt wird. Die Schwerpunktsbewegung der Wellenpakete wird dabei durch die unterschiedliche Aufspaltung der lokalen Eigenwerte der Potentialmatrix bestimmt. Wir studieren als Beispiel für eine Anwendung der Theorie paritätsverletzende, geometrische (Berry-)Phasen in Atomen. In diesem Zusammenhang führen wir geometrische Flussdichten ein, mit denen man für spezielle Feldkonfigurationen die geometrischen Phasen direkt anhand eines Vektordiagramms veranschaulichen kann. Am Beispiel einer bestimmten Feldkonfiguration zeigen wir die Existenz einer paritätsverletzenden geometrischen Phase.
In dieser Arbeit entwickeln wir eine nichtrelativistische Theorie zur quantenmechanischen Beschreibung longitudinaler Atomstrahl-Spinecho-Experimente, bei denen ein Strahl neutraler Atome eine Anordnung statischer elektrischer und magnetischer Felder durchquert. Der Gesamtzustand des Atoms ist die Lösung der Schrödinger-Gleichung mit matrixwertigem Potential und kann als Superposition lokaler (atomarer) Eigenzustände der Potentialmatrix geschrieben werden. Die orts- und zeitabhängigen Amplitudenfunktionen jedes Eigenzustands repräsentieren die atomaren Wellenpakete und können mit der von uns aufgestellten Master-Formel in einer Reihenentwicklung berechnet werden. Die nullte Ordnung dieser Reihenentwicklung beschreibt den adiabatischen Grenzfall, in höheren Ordnungen werden Mischungen der Zustände und der zugeordneten Amplitudenfunktionen berücksichtigt. Wir geben eine Anleitung zur theoretischen Beschreibung eines longitudinalen Atomstrahl-Spinecho-Experiments und des sogenannten Fahrplanmodells an, bei dem die Schwerpunktsbewegung der Wellenpakete in den angelegten Feldern grafisch dargestellt wird. Die Schwerpunktsbewegung der Wellenpakete wird dabei durch die unterschiedliche Aufspaltung der lokalen Eigenwerte der Potentialmatrix bestimmt. Wir studieren als Beispiel für eine Anwendung der Theorie paritätsverletzende, geometrische (Berry-)Phasen in Atomen. In diesem Zusammenhang führen wir geometrische Flussdichten ein, mit denen man für spezielle Feldkonfigurationen die geometrischen Phasen direkt anhand eines Vektordiagramms veranschaulichen kann. Am Beispiel einer bestimmten Feldkonfiguration zeigen wir die Existenz einer paritätsverletzenden geometrischen Phase.
Im ersten Teil dieser Arbeit werden die atominterferometrischen Grundlagen für das Wasserstoff-Atomstrahl-Spinecho eingeführt. Diese werden zu einer Streutheorie erweitert, bei der die transversale Aufspaltung von Wellenpaketen genutzt wird, um mit dieser speziellen Art des Spinechos dynamische Korrelationsfunktionen direkt zu messen. Die Theorie gibt zudem wichtige Rahmenbedingungen zur experimentellen Realisierung vor. Die Spulen, die für transversales Spinecho nötig sind, werden beschrieben, und erste Messungen am geraden Strahl werden diskutiert. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich speziellen Quellen für Atom- und Molekülstrahlen. Es wird ein neuer Ansatz zur Dissoziation von molekularem Wasserstoff und der Erzeugung eines Überschallstrahls aus atomarem Wasserstoff verfolgt. Dazu werden Plasmen genutzt, die zwischen mikrostrukturierten Elektroden mit Abständen im Sub-Millimeter-Bereich brennen. Messungen zur Strahlcharakterisierung dieser Quelle mittels He* werden diskutiert. Außerdem wird eine Quelle vorgestellt, mit der es möglich ist, langsame und kalte Atom- und Molekülstrahlen zu erzeugen, indem Gas adiabatisch aus einer sich bewegenden Düse expandiert, die am Ende eines Rotors montiert ist. Das Design dieser Quelle wird präsentiert und anhand von Messungen wird gezeigt, dass mit dieser Quelle beispielsweise ein Argonstrahl mit einer mittleren Geschwindigkeit von 170 m/s und einer Strahltemperatur von 4 K erzeugt werden kann.
In dieser Arbeit haben wir das Verhalten von Atomen in beschleunigten Lichtfeldern untersucht. Dabei ging es vor allem darum, bereits durchgeführte Experimente zu verstehen. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen kann durch eine Dipolwechselwirkung beschrieben werden. Die Dynamik der Atome in einem beschleunigten periodischen Potential ist geprägt durch die Bewegung der Atome durch das periodische Bandspektrum. Die Dauer zum Durchlaufen einer Periode wird Blochperiode genannt und ist proportional zur inversen Beschleunigung. Die Beschleunigung bewirkt eine Kopplung der Bänder, so dass es zusätzlich zu Übergängen zwischen den Bändern kommt. Es reicht aus, sich die Übergänge ausschließlich an den Stellen des geringsten Bandabstandes vorzustellen. Solche Übergänge zwischen den Bändern werden Landau-Zener-Tunneln genannt. Numerische Untersuchungen zeigen, dass die Landau-Zener-Rate nur das mittlere Verhalten richtig beschreibt. Ein Modell, in dem Interferenzen zwischen verschiedenen Landau-Zener-Übergängen berücksichtigt werden, kann den V erlauf der Tunnelrate als Funktion der Beschleunigung richtig wiedergeben. Daneben haben wir die Zeitabhängigkeit der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Atome im untersten Band für eine gegebene Beschleunigung des Lichtfeldes untersucht. Hier zeigt sic h für lange Zeiten ein exponentielles Zerfallsgesetz. Die Zerfallskonstante ist dabei durch die Tunnelrate bestimmt. Für kurze Zeiten hingegen findet man ein kohärentes Verhalten. Die Kohärenzzeit ist dabei von der gleichen Größenordnung wie die Blochperiode. Ein weiterer Punkt unserer Betrachtungen war das Verhalten von Bose-Kondensaten in Lichtfeldern. Anders als bei den Atomen werden die Bose-Kondensate in Fallen erzeugt. Daneben weisen sie noch eine Wechselwirkung zwischen den Atomen auf. Hier ging es erst einmal darum, den Grundzustand des Kondensates in einem Potential, bestehend aus Falle und Lichtfeld zu, bestimmen. Wenn die typische Längenskala des Lichtpotentials viel kleiner als die des Fallenpotentials ist, so kann der Grundzustand mit Hilfe einer Einhüllenden beschrieben werden, die durch eine periodische Funktion moduliert wird. Die Form der Einhüllenden wird dabei ausschließlich von der Falle bestimmt, während die periodische Funktion durch eine Eigenfunktion des periodischen Potentials dargestellt werden kann. Außerdem haben wir noch das Verhalten der Bose-Kondensate in Fallen bei einem zusätzlichen zeitabhängigen periodischen Potential mit numerischen Methoden untersucht.
In der vorliegenden Arbeit wird das elektrische Fangen von Molekülen und Atomen in zwei verschiedenen Experimenten untersucht.Dazu wurde zum einen eine Quelle kalter Moleküle aufgebaut und zum anderen eine dreidimensionale elektrische Falle für lasergekühlte Atome.Das Molekülexperiment beschäftigt sich mit dem gleichzeitigen zweidimensionalen Fangen von Molekülen, die sich in einem hochfeldsuchenden oder einem niedrigfeldsuchenden Zustand benden.Mit zeitabhängigen Feldern läÿt sich für Moleküle wie ND 3 eine Fallentiefe von ungefähr 20 mK erzeugen.Im Experiment werden mit Hilfe zeitlich veränderlicher elektrischer Felder langsame Moleküle mit einer longitudinalen Geschwindigkeit kleiner als 20 m/s entlang eines 50 cm langen, gebogenen Quadrupols geführt.Simulationen stehen in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt jedoch auf der Realisierung einer elektrischen Falle für Atome.In diesem Experiment werden mit Hilfe zeitlich veränderlicher elektrischer Felder neutrale Rubidium Atome, die sich im Grundzustand benden, gefangen.Dazu werden drei unterschiedliche elektrostatische Feldkongurationen zyklisch abwechselnd erzeugt.Aufgrund der geringen Fallentiefe müssen die Rubidium Atome zuerst lasergekühlt und danach in einer Magnetfalle gespeichert werden.Danach werden die magnetisch gespeicherten Atome ins Zentrum der elektrischen Falle transportiert.Die elektrische Falle für Atome besteht aus sechs zylindrischen mit Endkappen versehenen Elektroden, in einer kubischen Anordung.Die so angeordneten Elektroden ermöglichen einen ausgezeichneten optischen Zugang.In der elektrischen Falle werden 1, 7 • 10 5 Atome bei einer Dichte von 2, 5 • 10 8 cm -3 bis zu 360 ms bei einer Anfangstemperatur von 20 µK gespeichert.Alle experimentellen Ergebnisse stehen in guter Übereinstimmung mit analytischen Rechunungen und numerischen Simulationen.
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.
In der vorliegenden Arbeit wird über die erstmalige kontinuierliche Auskopplung von Atomen aus einem atomaren Bose-Einstein-Kondensat berichtet. Es wurde so eine kohärente Strahlquelle für Materiewellen entwickelt, die aufgrund ihrer Analogie zu der Erzeugung von Licht in einem Laser als Atomlaser bezeichnet wird. In einer neu entwickelten magnetischen Ioffe-Falle mit einem äußerst stabilen Fallenpotential wurden dazu Bose-Einstein- Kondensate aus 87Rb Atomen erzeugt. Mit Hilfe von kontinuierlich eingestrahlten Radiofrequenzwellen konnte das gefangene kohärente Materiefeld eines Bose-Einstein-Kondensats lokal an die frei propagierenden Eigenzustände des Gravitationspotentials angekoppelt werden. Es wurde außerdem gezeigt, daß mit Hilfe dieser Meßmethode eine räumliche Spektroskopie und Manipulation der Kondensatwellenfunktion auf einer µm-Skala möglich ist. Mit dem Atomlaser wurden fundamentale Kohärenzeigenschaften eines Bose-Gases am Phasenübergang zur Bose-Einstein-Kondensation untersucht. Aus zwei Raumbereichen des gefangenen atomaren Gases wurden dazuMateriewellen ausgekoppelt und zur Überlagerung gebracht. Sind die von den beiden Raumbereichen ausgesandten Materiewellen phasenkohärent, so ergibt sich ein Materiewellen-Interferenzmuster. Aus dem Kontrast des Interferenzsignals konnten die Kohärenzeigenschaften des gefangenen Gases quantitativ bestimmt werden. Die Meßmethode läßt sich dabei in einer weitgehenden Analogie zu der räumlichen Kohärenzmessung von Licht in einem Doppelspalt-Experiment verstehen. In der Mitte des letzten Jahrhunderts wurde in der Theorie erkannt, daß die fundamentale Eigenschaft makroskopischer Quantenphänomene wie z. B. der Suprafluidität oder der Supraleitung eine langreichweitige Phasenkohärenz in den zugrundeliegenden Quantenfeldern ist. Nahezu 50 Jahre nach dieser Erkenntnis wurden die dramatischen Änderungen in den Kohärenzeigenschaften eines makroskopischen Quantensystems am Phasenübergang hier erstmals in einem Experiment quantitativ nachgewiesen. Für die zukünftige Anwendbarkeit des Atomlasers sind kohärenzerhaltende atomoptische Elemente wichtige Grundbausteine. Im letzten Teil der Arbeit werden neuere Messungen vorgestellt, bei denen mit Hilfe von Hyperfein-Raman-Übergängen in einem magnetischen Fallenpotential ein Spiegel, ein Strahlteiler und ein Resonator für den Atomlaser entwickelt wurden.
In den letzten Jahren haben Quantenpunkte viel Aufmerksamkeit erhalten, da ihre magnetischen Eigenschaften für Spintronik Geräte benutzt oder ein in einem Quantenpunkt eingesperrter Spin als Qubit für einen Quantencomputer verwendet werden könnte. In dieser Arbeit untersuchen wir die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtseigenschaften von verschiedenen Quantenstörstellensystemen (QIS). Als erstes wird das Kondo-Modell betrachtet, in dem das lokale magnetische Moment einer Störstelle über eine Heisenberg-Wechselwirkung an ein fermionisches Bad gekoppelt ist. Wir untersuchen, wie die Kondokorrelationen aufgebaut werden und wie sie sich durch das Leitungsband ausbreiten. Die Nichtgleichgewichtsergebnisse zeigen, dass die meisten Korrelationen sich innerhalb eines Lichtkegels ausbreiten, der bestimmt ist durch die Fermi-Geschwindigkeit. Interessanterweise sehen wir auch Korrelationen außerhalb des Lichtkegels. Mittels einer Störungstheorie in zweiter Ordnung in der Kopplung, können wir zeigen, dass diese Korrelationen mit den intrinsischen Korrelationen des Fermi-Sees zusammenhängen. Weiterhin stellen wir ein Experiment vor, in dem Metall-Molekül-Komplexe durch Reaktion von einem PTCDA Molekül, das auf einer Au(111) Oberfläche adsorbiert, mit einem einzelnen Au Atom gebildet werden. Dies führt zur Entstehung von Radikalen. Der beobachtete Kondoeffekt in den Rastertunnelmikroskopie (STM) Spektren ist ein eindeutiger Beweis für die Bildung eines lokalen Momentes. Die physikalisch korrekte Beschreibung der Bildung des lokalen Momentes und des Kondoeffekt ist jedoch mit der Dichtefunktionaltheorie (DFT) nicht möglich. Daher verwenden wir einen kombinierten DFT + Numerische Renormierungsgruppen (NRG) Ansatz, in dem wir die Ergebnisse der DFT als “ab initio” Eingangs-Parameter für unsere NRG verwenden. Wir zeigen, dass die Ergebnisse des Experiments und der NRG ohne Anpassungen der Modellparameter sehr gut übereinstimmen. Wenn zwei Au Atome auf benachbarten PTCDA Molekülen adsorbieren, weist das Spektrum in manchen Fällen eine Lücke um die Fermi-Energie, anstatt einer Kondoresonanz auf. Indem wir das System auf ein Zwei-Störstellen-Anderson-Modell (TIAM) abbilden, können wir zeigen, dass diese Lücke durch die starke nichtmagnetische chemische Wechselwirkung zwischen den beiden Komplexen entsteht. Mittels unserer NRG Ergebnisse liefern wir eine ausführliche Analyse des auftretenden Quantenphasenübergangs (QPT). Am Schluss betrachten wir die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtseigenschaften des Zwei-Störstellen-Kondo-Modells (TIKM), welches einen QPT aufweist, wenn man die Energieabhängigkeit der Kopplungen an das Leitungsband vernachlässigt. Wir zeigen, dass es möglich ist, diesen QPT in dem voll energieabhängigen Modell mittels passenden Potentialstreutermen wiederherzustellen. Danach wird die Zeitdynamik nach einem Quench in der direkten Spin-Spin-Wechselwirkung zwischen den beiden Störstellenspins untersucht. Es wird gezeigt, dass eine ausreichend große antiferromagnetische Wechselwirkung die Thermalisierung der Spin-Spin-Korrelationsfunktion verhindert, da in diesem Fall die Störstellen vom Leitungsband entkoppeln.