Der Einsatz mikrostrukturierter optischer Elemente ist in der heutigen quantenoptischen Forschung ein äußerst attraktiver Zugang zur kompakten und robusten Realisierung atomoptischer Experimente. Besondere Beachtung findet dabei die Manipulation der internen und externen Freiheitsgrade neutraler Atome in magnetischen und optischen Mikropotentialen. Motiviert werden diese Untersuchungen sowohl durch Anwendungen auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung, als auch durch die Möglichkeit kompakte, hochpräzise Atominterferometer zu entwickeln. Von äußerster Wichtigkeit ist hierbei sowohl der kontrollierte Transport und das Führen atomarer Ensembles in diesen Potentialen, als auch deren Auswirkungen auf die Kohärenz der atomaren Zustände. In dieser Arbeit wird ein System untersucht, bei dem neutrale 85Rb-Atome in einem zweidimensionalen Register von Dipolfallen gefangen werden können. Die Fallen werden durch homogenes Ausleuchten eines Mikrolinsenregisters mit einem einzelnen kollimierten Laserstrahl erzeugt. Durch Einstrahlen des Lichts unter einem variablen Winkel lassen sich die in der Fokalebene des Registers gefangenen Atome transportieren. Mit dieser Methode kann ein Transportweg von einem kompletten Fallenabstand (54µm) erreicht werden. Die Präzision in der Anfahrt definierter Positionen liegt dabei unter 10nm. Bei einer Transportzeit bis hinunter zu 2ms wird weder eine signifikante Erhöhung der Temperatur des atomaren Ensembles noch ein Teilchenzahlverlust beobachtet. Für den Transport über größere Distanzen wird ein Schieberegister demonstriert, das auf einem sequentiellen Verschieben und Umladen zwischen zwei getrennten Dipolfallenregisters basiert. Neben der Kontrolle der externen Freiheitsgrade können mit einem Ramanlasersystem beliebige kohärente Superpositionen der Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustands induziert werden. Mit Hilfe von Ramsey- und Echosequenzen wird die Kohärenz der internen Superpositionen untersucht. Die Ramseymessung weist dabei eine inhomogene Dephasierung mit einer Zeitkonstanten von T2*=3,8ms aufgrund der endlichen Temperatur der Atome in den Dipolfallen auf. Diese ist reversibel und lässt sich durch Erweitern der Sequenz zu einer Echomessung umkehren. Auf diese Weise ist es möglich die Kohärenzzeit der Superposition zu T2'=74ms zu bestimmen. Eine Analyse der kohärenzzerstörenden Effekte führt auf die homogene Dephasierung induziert durch Heizeffekte des Dipolfallenlasers als wahrscheinlichste Ursache für den Kontrastverlust. Der Transportprozess wirkt sich nicht auf die Kohärenzzeit aus (T2'=71ms), jedoch wird eine konstante und reproduzierbare Phasenverschiebung von
Der Einsatz mikrostrukturierter optischer Elemente ist in der heutigen quantenoptischen Forschung ein äußerst attraktiver Zugang zur kompakten und robusten Realisierung atomoptischer Experimente. Besondere Beachtung findet dabei die Manipulation der internen und externen Freiheitsgrade neutraler Atome in magnetischen und optischen Mikropotentialen. Motiviert werden diese Untersuchungen sowohl durch Anwendungen auf dem Gebiet der Quanteninformationsverarbeitung, als auch durch die Möglichkeit kompakte, hochpräzise Atominterferometer zu entwickeln. Von äußerster Wichtigkeit ist hierbei sowohl der kontrollierte Transport und das Führen atomarer Ensembles in diesen Potentialen, als auch deren Auswirkungen auf die Kohärenz der atomaren Zustände. In dieser Arbeit wird ein System untersucht, bei dem neutrale 85Rb-Atome in einem zweidimensionalen Register von Dipolfallen gefangen werden können. Die Fallen werden durch homogenes Ausleuchten eines Mikrolinsenregisters mit einem einzelnen kollimierten Laserstrahl erzeugt. Durch Einstrahlen des Lichts unter einem variablen Winkel lassen sich die in der Fokalebene des Registers gefangenen Atome transportieren. Mit dieser Methode kann ein Transportweg von einem kompletten Fallenabstand (54µm) erreicht werden. Die Präzision in der Anfahrt definierter Positionen liegt dabei unter 10nm. Bei einer Transportzeit bis hinunter zu 2ms wird weder eine signifikante Erhöhung der Temperatur des atomaren Ensembles noch ein Teilchenzahlverlust beobachtet. Für den Transport über größere Distanzen wird ein Schieberegister demonstriert, das auf einem sequentiellen Verschieben und Umladen zwischen zwei getrennten Dipolfallenregisters basiert. Neben der Kontrolle der externen Freiheitsgrade können mit einem Ramanlasersystem beliebige kohärente Superpositionen der Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustands induziert werden. Mit Hilfe von Ramsey- und Echosequenzen wird die Kohärenz der internen Superpositionen untersucht. Die Ramseymessung weist dabei eine inhomogene Dephasierung mit einer Zeitkonstanten von T2*=3,8ms aufgrund der endlichen Temperatur der Atome in den Dipolfallen auf. Diese ist reversibel und lässt sich durch Erweitern der Sequenz zu einer Echomessung umkehren. Auf diese Weise ist es möglich die Kohärenzzeit der Superposition zu T2'=74ms zu bestimmen. Eine Analyse der kohärenzzerstörenden Effekte führt auf die homogene Dephasierung induziert durch Heizeffekte des Dipolfallenlasers als wahrscheinlichste Ursache für den Kontrastverlust. Der Transportprozess wirkt sich nicht auf die Kohärenzzeit aus (T2'=71ms), jedoch wird eine konstante und reproduzierbare Phasenverschiebung von
Der Einsatz mikrostrukturierter Systeme zur Manipulation von kalten Atomen ist eines der aktivsten Forschungsgebiete in der Atomphysik und Quantenoptik.Exemplarisch werden in der vorliegenden Arbeit Einsatzmöglichkeiten mikrooptischer Elemente in der Quanteninformationsverarbeitung und in der Atomoptik experimentell präsentiert.Besondere Beachtung finden dabei auch Untersuchungen zum Kohärenzerhalt in optischen Mikropotentialen und die Entwicklung optischer Speicherfelder mit speziellen vom Spinzustand der gefangenen Atome abhängigen Eigenschaften.In einem breiten Spektrum physikalischer Systeme aus unterschiedlichsten Forschungsgebieten werden derzeit grundlegende Fragestellungen, sowie physikalische Umsetzungen zur Quanteninformationsverarbeitung entwickelt und untersucht.In dieser Arbeit wird die experimentelle Realisierung neuartiger Register für atomare Qubits, basierend auf mikrooptischen Elementen, demonstriert: Neutrale Atome werden in einem ein-bzw.zweidimensionalen Array aus weit verstimmten Dipolfallen, erzeugt durch Fokussierung eines einzelnen Laserstrahls mit einem Array sphärischer Mikrolinsen, gefangen.Aufgrund der großen lateralen Abstände von 125 µm der Fallen zueinander können die einzelnen Fallen ortsaufgelöst adressiert werden.Das Initialisieren und Auslesen der internen Zustände einzelner Fallen konnte demonstriert werden.Als zweiter Schwerpunkt wird der Einsatz mikrooptischer Systeme in der Materiewellenoptik mit geführten Atomen untersucht.Aufgrund der hohen intrinsischen Sensitivität müssen Atominterferometer robust gegenüber störenden Umwelteinflüssen konzipiert werden.Im Rahmen dieser Arbeit werden Interferometerstrukturen für geführte neutrale Atome, die auf mikrostrukturierten optischen Systemen beruhen, experimentell demonstriert.Hierbei wird als ein zentrales Element eine Vielfachrealisierung von Linienleitern benutzt, die durch Fokussieren eines rot-verstimmten Laserstrahls mit einem Array von zylindrischen Mikrolinsen erzeugt werden.Durch Kombination zweier Mikrolinsenarrays können Strahlteiler aber auch komplexere Systeme, wie die Geometrien von Mach-Zehnder-und Michelson-Interferometern für geführte neutrale Atome erzeugt werden.Zudem konnte ein zustandsselektiver Strahlteiler experimentell demonstriert werden.Numerische Simulationen der atomaren Wellendynamik sagen die Kohärenz der adiabatischen Entwicklung des atomaren Wellenpaketes während der Teilungsprozesse voraus.Das Verständnis der Kohärenzeigenschaften externer atomarer Bewegungszustände in optischen Dipolpotentialen ist eine wesentliche Voraussetzung für die Anwendung der hier untersuchten Systeme zur Quanteninformationsverarbeitung und zur Atominterferometrie. Diese Kohärenzeigenschaften wurden in optischen Mikropotentialen, realisiert durch ein optisches Gitter, untersucht und die Ergebnisse für die hier entwickelten Strukturen diskutiert.Anknüpfend an die Untersuchungen zur Quanteninformationsverarbeitung und Atominterferometrie konnte eine optische Falle realisiert werden, die nur Atome in bestimmten Zeeman-Niveaus speichern kann.In dieser spinselektiven Falle konnte ein effizient spinpolarisiertes atomares Ensemble erzeugt werden.Ein solches System kann neben vielen Anwendungen zu Präzisionsexperimenten auch in der Quanteninformationsverarbeitung und in der Atominterferometrie eingesetzt werden.Zusätzlich eignet sich dieser Fallentyp aufgrund seiner Spinselektivität zum evaporativen Kühlen bei gleichbleibenden Fallenfrequenzen und hoher Anfangsphasenraumdichte.
Motiviert durch den exponentiellen Anstieg der Rechenkapazität den Quantenalgorithmen ermöglichen, hat sich die Quanteninformationsverarbeitung als ein neues, sich rasant entwickelndes Forschungsfeld etabliert. Die Kodierung von Information erfolgt dabei in als Qubits bezeichneten Zwei-Zustands-Systemen, wie sie in einer Vielzahl quantenmechanischer Systeme vorliegen. Ein vielversprechender Ansatz basiert auf neutralen Atomen in Dipolfallen, die sich aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung gut von der Umwelt isolieren lassen und mit ihren internen Zuständen ein geeignetes Quantensystem darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden wichtige Teilschritte für die Implementierung der Quanteninformationsverarbeitung in zweidimensionalen Dipolfallenregistern realisiert. So konnten erstmals die Unterdrückung von Dephasierung, die simultane Adressierung individueller Qubits sowie das kontrollierte Laden und die Detektion einzelner Atome gezeigt werden. Das verwendete Dipolfallenregister wird über die homogene Ausleuchtung von Mikrolinsenregistern erzeugt und zeichnet sich durch eine simple und reproduzierbare Handhabung sowie durch seinen skalierbaren Charakter aus. Ein Fallenabstand von 55 μm erlaubt eine räumliche Auflösung einzelner Qubits mithilfe optischer Verfahren. Als Qubit-Zustände dienen die beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustandes von 85Rb. Die kohärente Kopplung beider Niveaus erfolgt über einen optischen Zwei-Photonen-Raman-Prozess, mit dem sich beliebige Ein-Qubit-Operationen realisieren lassen. Wesentliche Erfolge konnten in dieser Arbeit bei der Minimierung der Dephasierung durch den von der Dipolfalle induzierten differentiellen Stark-Effekt erzielt werden. Zur Unterdrückung dieser Dephasierung wird die differentielle Stark-Verschiebung mittels eines weiteren, nahresonanten Lichtfeldes kompensiert. Durch diese Kompensation kann die effektive Hyperfeinaufspaltung von der Fallentiefe entkoppelt werden. Die so induzierte Unterdrückung der Dephasierung ermöglicht eine synchronisierte Phasenentwicklung der atomaren Qubit-Zustände. Unter Verwendung von Ramsey-Techniken konnte die spektroskopische Auflösung der Hyperfeinaufspaltung dadurch um einen Faktor 70 verbessert werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt in der Quanteninformationsverarbeitung besteht in der kontrollierten Initialisierung und Adressierung der Qubits. In dieser Arbeit gelang erstmals die simultane Ansteuerung individueller Qubits mittels eines zweidimensionalen Intensitätsmodulators. Mit diesem Intensitätsmodulator können in Kombination mit mikrooptischen Komponenten sowohl flexible Fallengeometrien, als auch fallenspezifische, räumlich separierte kohärente Manipulationen stabil und zugleich variabel realisiert werden. Die Kontrolle einzelner Atome ist in vielen Ansätzen für die Realisierung von Zwei-Qubit- Wechselwirkungen essentiell. Erstmals wurde in dieser Arbeit das Laden einzelner Atome sowie deren Detektion im Dipolfallenregister gezeigt. Durch eine Änderung des Volumens der Dipolfallen konnte der Übergang zwischen einer statistischen Poisson-verteilten Atomzahl in den einzelnen Fallen zu einer stark Sub-Poisson-verteilten Atomzahl mit maximal einem Atom pro Falle erreicht werden. Lichtinduzierte Zwei-Körper-Verluste führen zu einer Blockade, die eine mittlere Atomzahl von 〈N〉 = 0,5 mit keinem oder exakt einem Atom pro Falle bewirkt. Dieses Blockaderegime erweist sich im untersuchten Bereich als unabhängig von der Laderate und Tiefe der Fallen und ermöglicht das gleichmäßige
Lasergekühlte und optisch gespeicherte neutrale Alkaliatome stellen ein wohlbeschriebenes und weitgehend von der Umgebung separierbares Quantensystem dar. Ihre internen und externen Freiheitsgrade können experimentell umfassend und in kohärenter Weise durch externe Felder kontrolliert werden. Auch die Wechselwirkung zwischen Atomen kann durch die lasergestützte Anregung in Rydberg-Zustände auf einer interatomaren Längenskala von Mikrometern zwischen der vernachlässigbaren gegenseitigen Beeinflussung im Grundzustand und starker Dipol-Dipol-Kopplung zuverlässig geschaltet werden. Die langlebigen Zustände der Grundzustands-Hyperfeinstruktur bieten die Möglichkeit der Präparation von Quasi-Spin-1/2-Systemen, deren Quantenzustand zur Kodierung von Information genutzt werden kann. Insbesondere die Zustände ohne linearen Zeeman-Effekt bilden eine robuste Qubit-Basis. Einzelne Alkaliatome stellen somit ein ausgezeichnetes System zur physikalischen Realisierung der Quanteninformationsverarbeitung dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer skalierbaren Architektur zur registerbasierten Quanteninformationsverarbeitung mit einzelnen Rb85-Atomen. Die zugrunde liegende zweidimensional-periodische Geometrie von Speicherstellen wird aus mikrooptisch erzeugten Dipolfallenregistern gewonnen, wobei in den gezeigten Messreihen typischerweise 25 bis 150 Fallen zum Einsatz kommen. Die Skalierbarkeit der Registergröße wird durch Einsatz von Mikrooptiken mit mehr als 104 Linsen sichergestellt. In dieser Arbeit konnten wesentliche Fortschritte in der parallelisierten Präparation und ortsaufgelösten Detektion von Einzelatomen in Dipolfallenregistern erreicht werden. So gelang die Implementierung von Quantenregistern mit einer Einzelatom- räparationseffizienz größer 50% an 116 Registerpositionen und im Mittel 75 bereitgestellten Einzelatomen. Die Wahrscheinlichkeit, in einer beliebigen Realisierung mindestens 60 Einzelatome zu erhalten betrug 99%. Als Folge der zur Präparation genutzten lichtinduzierten Stoßverluste konnten in diesen Fallen mit starker Fokussierung (w0 = 1,5µm) Ereignisse mit mehr als einem Atom an der gleichen Registerposition aufgrund der auftretenden Kollisionsblockade verhindert werden. Der Präparationsprozess wurde in optimierten Potentialen (w0 = 3,6µm) detailliert studiert. In Fallen der Tiefe U_0 = kB·0,5 mK wurden Verlustraten von 1,7·10^-9 cm^3 s^-1 für Einkörperverluste und 2,3·10^-9 cm^3 s^-1 für Zweikörperverluste bestimmt. Mit Hilfe erweiterter Techniken in der Fluoreszenzdetektion war erstmals der Mehrfachnachweis individueller Atome des Quantenregisters möglich. In einer Messreihe mit 27 Belichtungszyklen pro Experimentzyklus wurden keine signifikanten zusätzlichen Verluste beobachtet. Dies bildet die Grundlage für weiterführende Experimente mit Auflösung der Zeitentwicklung einzelner Quantensysteme. Insbesondere kann die Position bereitgestellter Einzelatome vor, und deren Zustand im Anschluss der Ausführung von Quantenoperationen detektiert werden. Erstmals wurde in dieser Arbeit die parallelisierte kohärente Manipulation des Zustandes von Einzelatom-Qubits des Quantenregisters demonstriert. Die Rabifrequenz der Kopplung durch einen optischen Zwei-Photonen-Prozess wurde zu 2 Pi·100 kHz bestimmt. Die durch kohärente Spektroskopie von Superpositionszuständen ermittelte Kohärenzzeit liegt mit T_Echo = 76,7ms vier Größenordnungen über der Zeitdauer einzelner Quantenoperationen. In den Messreihen dieser Arbeit konnte die fundamentale Periode der Quantenregister von 55,5µm auf 9,8µm reduziert werden. Darüber hinaus erlaubte die Nutzung von Potentialstrukturen der Talbotebenen des eingesetzten Mikrolinsenregisters die Implementierung von Fallengeometrien aus zwei überlagerten, ineinander verschachtelten Einzelregistern mit frei wählbarem Abstand benachbarter Fallen. Somit konnten wesentliche Voraussetzungen für die Realisierung von Zwei-Qubit-Operationen geschaffen werden. Die hierfür nötige selektive Laser-Adressierung von Qubits wurde für Fallenabstände von 13,3µm und 6,7µm demonstriert.
Das Gebiet der Atomoptik hat sich in den letzten zwanzig Jahren von einem Stadium einfacher Demonstrationsexperimente bis zum Aufbau komplexer Präzisionsmessinstrumente zur Bestimmung von Naturkonstanten entwickelt. Mittlerweile gibt es eine erste Generation transportabler Atominterferometer auf der Basis kalter Atome, die eine Messung von Beschleunigungen oder Rotationen ermöglicht. Mit der experimentellen Realisierung der Bose-Einstein-Kondensation haben sich faszinierende Perspektiven auf dem Gebiet der Atomoptik eröffnet. Ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) als Quelle kohärenter Materiewellen ermöglicht den Aufbau neuartiger Interferometerstrukturen. Ein besonders einfaches und variables Mittel der Manipulation von Bose-Einstein-Kondensaten stellen optische Dipolpotentiale dar. In der vorliegenden Arbeit werden atomoptische Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten in mit mikrooptischen Elementen erzeugten optischen Dipolpotentialen vorgestellt. Solche optischen Mikroelemente ermöglichen besonders kompakte optische Aufbauten. Die Bose-Einstein-Kondensate aus 87Rb-Atomen entstehen mit Hilfe evaporativer Kühlung in einer gekreuzten Dipolfalle mit Licht eines Faserlasers bei einer Wellenlänge von 1070 nm durch langsames Absenken der Strahlleistungen. Bei Temperaturen von unter 20 nK werden ultra-kalte Ensembles mit 10000 Atomen bei einem Kondensatanteil von 50% erzeugt. Als Werkzeug zum Teilen und Beschleunigen der Bose-Einstein-Kondensate wurde ein eindimensionales optisches Gitter realisiert. Durch unterschiedliche Pulssequenzen und relative Verstimmungen der Gitterstrahlen ist damit sowohl eine gezielte Erzeugung kohärenter Superpositionen zwischen verschiedenen Impulszuständen möglich als auch eine kontrollierte adiabatische Beschleunigung des gesamten atomaren Ensembles. So wurde mit einem Puls eines unbewegten optischen Gitters ein symmetrisches Aufteilen des Ensembles in Teilensembles mit entgegengerichtetem Impuls gleichen Betrags mit einer Effizienz von 80% erreicht. Mit einem Puls eines bewegten optischen Gitters konnten außerdem gezielt Superpositionen zwischen unterschiedlichen benachbarten Impulszuständen erzielt werden. Weiterhin ließ sich mit einem solchen Gitterpuls das gesamte Ensemble mit einer Effizienz von mindestens 60% in eine von null verschiedene Impulsordnung überführen. Durch eine adiabatische Beschleunigung wurden sogar Effizienzen von mindestens 90% beim Beschleunigen von atomaren Ensembles auf Impulse von bis zu 6 Photonenrückstößen erreicht. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bilden Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten in mit einer mikrostrukturierten optischen Ringlinse erzeugten Dipolpotentialen. Das Ziel dieser Experimente ist die Realisierung kompakter Wellenleiter- und Interferometerstrukturen für teilweise kondensierte Ensembles. Eine ringförmige Dipolfalle ermöglicht unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten. Damit ist sowohl die einfache Realisierung eines Speicherrings für Bose-Einstein-Kondensate als auch eines Interferometers vom Sagnac-Typ möglich. Das realisierte Schema zum Aufbau einer ringförmigen Dipolfalle wird vorgestellt und das erfolgreiche Umladen in diese Falle wird demonstriert. Weitere experimentelle Schritte, um eine Ausbreitung entlang des Rings zu ermöglichen, werden diskutiert. Bose-Einstein-Kondensate in Fallen mit reduzierten Dimensionalitäten sind Gegenstand vielfältiger aktueller Forschungen. Durch die Kombination eines Strahls der gekreuzten Dipolfalle mit einem blauverstimmten ringförmigen Potential wurde ein quasi-eindimensionaler Resonator erzeugt, in dem erstmals sowohl die Dynamik frei expandierender Bose-Einstein-Kondensate als auch von entgegengesetzt beschleunigten Teilensembles beobachtet wurden, so dass die entstehenden Dichteverteilungen analysiert werden konnten. Als weitere Anwendung der Ringlinse konnte durch die Kombination eines abstoßenden ebenen Potentials und eines abstoßenden Ringpotentials ein kreisförmiger Resonator demonstriert werden, in dem die Atome wie in einer Schale gehalten werden, so dass die Expansion von thermischen und teilweise kondensierten Ensembles beobachtet werden konnte.
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.
Zusammenfassung Innerhalb der modernen Atomphysik hat sich die Atomoptik als ein zentrales Forschungsfeld etabliert.Insbesondere die Atomlithographie, die eine der bedeutendsten Anwendungen der Atomoptik ist, und atomare Leiterstrukturen nehmen dabei eine herausragende Stellung ein.Während alle bisherigen Experimente auf dem Gebiet der Atomlithographie stets mit thermischen Atomstrahlen durchgeführt wurden, demonstriert die vorliegende Arbeit den erstmaligen Einsatz eines abgebremsten Atomstrahles für die Atomlithographie, woraus sich für dieses Verfahren innovative Perspektiven ergeben.Darüber hinaus befaßt sich diese Arbeit auch mit der Entwicklung magnetischer Leiterstrukturen, die sich als ein flexibles neues atomoptisches Element zur Manipulation langsamer Strahlen erweisen.Im Rahmen des Forschungsschwerpunktes Atomlithographie wurden sowohl verschiedenartige Resists für Ne* als auch der Einsatz von Lichtkräften zur Nanostrukturierung charakterisiert und bewertet.Zwei der untersuchten Resists stammten dabei aus dem Gebiet der SAMs (self-assembled monolayers).Hier konnte experimentell gezeigt werden, daß SAM-Schichten, die von Dodecanthiol-Molekülen bzw.von Octadecyltrichlorsilan-Molekülen (OTS) gebildet werden, durch Bestrahlung mit Ne* in geeigneter Weise verändert werden können.Im Falle des OTS gelang es sogar mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM), erstmalig in der Atomlithographie mit metastabilen Edelgasen einen direkten Topographiekontrast ohne jeglichen Ätzprozeß festzustellen.Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Schädigung, die SAM-Schichten bei Bestrahlung mit Ne* erfahren.Weiterhin konnte auch die durch Ne* induzierte Abscheidung von Hintergrundgasmolekülen benutzt werden, um Ätzmasken zu erzeugen und damit Oberflächen zu strukturieren.Als Prototyp für ein atomoptisches Element, mit dem eine Fokussierung des Atomstrahles bis in den Nanometerbereich möglich ist, wurde eine optische Stehwelle untersucht.Zur theoretischen Simulation wurden sowohl klassische Trajektorienrechnungen als auch eine quantenmechanische Wellenpropagation benutzt.Schwierigkeiten, die sich bei der Fokussierung speziell eines langsamen Strahles ergaben, konnten durch die Entwicklung eines Verfahrens umgangen werden, welches zusätzlich zum Fokussieren auch einen Umpumpprozeß zwischen inneren Zuständen der Atome ("Quenching") verwendet.Die erfolgreiche Lokalisation von Atomen im Inneren einer solchen Stehwelle konnte experimentell sowohl indirekt mit Hilfe eines MCP-Detektors als auch direkt mit Hilfe der Atomlithographie nachgewiesen werden.Als neues und flexibles atomoptisches Element für langsame Atomstrahlen, welches sowohl für die Atomlithographie als auch für viele Grundlagenexperimente zukunftsweisend ist, wurden magnetische Leiterstrukturen entwickelt, eingesetzt und charakterisiert.Die zum Führen des Atomstrahles benutzten Magnetfelder wurden dabei durch stromdurchflossene Leiter erzeugt.Hiermit gelang es u.a., den Atomstrahl entlang eines s-kurvenförmigen Verlaufes mit Kurvenradien von 45 cm zu führen.Schließlich wurde auch eine Miniaturisierung solcher Leiter in Form von lithographisch auf einer Chipoberfläche aufgebrachten elektrischen Leiterbahnen demonstriert.Dies stellt einen ersten Schritt auf dem Weg zu integrierten atomoptischen Elementen dar, bei denen alle Komponenten eines Experimentes auf einem einzigen Chip integriert werden.Die vorliegende Arbeit dokumentiert damit nicht nur innovative Verfahren zur Nanostrukturierung von Oberflächen, sondern zeigt zudem auch zukünftige Wege für eine integrierte und kohärente Atomoptik mit weitreichenden Anwendungsgebieten auf.