Abstract Der Nachweis der laserinduzierten Resonanzfluoreszenz an einem thermischen Atomstrahl erlaubt auf einfache Weise die Beobachtung der Hyperfeinaufspaltung im Grund‐ und angeregten Zustand von Natrium. Ein für Demonstrationen geeigneter Versuch kann, neben dem Atomstrahl selbst, die Wirkung von Elektronen‐ und Kernspin im Hörsaal vorführen. Das benötigte Laserlicht wird hierbei über ein Lichtleiterkabel vom Labor in den Hörsaal geführt. Der Versuch kann auch zur Demonstration des optischen Pumpens und durch Anlegen eines Magnetfeldes in der Beobachtungsregion zur Demonstration des Zeeman‐Effektes benutzt werden.
Abstract Der Nachweis der laserinduzierten Resonanzfluoreszenz an einem thermischen Atomstrahl erlaubt auf einfache Weise die Beobachtung der Hyperfeinaufspaltung im Grund‐ und angeregten Zustand von Natrium. Ein für Demonstrationen geeigneter Versuch kann, neben dem Atomstrahl selbst, die Wirkung von Elektronen‐ und Kernspin im Hörsaal vorführen. Das benötigte Laserlicht wird hierbei über ein Lichtleiterkabel vom Labor in den Hörsaal geführt. Der Versuch kann auch zur Demonstration des optischen Pumpens und durch Anlegen eines Magnetfeldes in der Beobachtungsregion zur Demonstration des Zeeman‐Effektes benutzt werden.
Abstract Es wird ein Verfahren zur raschen Intensitätsmessung an den Natrium‐D‐Linien bie Anwesenheit anderer Strahlungen angegeben: Den Strahlengang kreuzt ein Na‐Atomstrahl, der periodisch unterbrochen wird und im D‐Linien‐licht eine Intensitätsschwankung erzeugt, die mit einem Multiplier unter Gleichrichtung mit einem Kommutator gemessen wird. Das Verfahren kann auch zur Ausmessung der Form oder Breite einer eingestrahlten Linie verwendet werden, wenn man nach Malinowski den Atomstrahl einem Magnetfeld aussetzt, das die Absorptionslinien verschiebt. Hier wird die Genauigkeit durch die Hyperfeinstruktur der Na‐D‐Linien begrenzt. Ein quantitatives Auswerteverfahren, das eine Hilfsmessung mit einer im Bereich der D‐Linien „weißen”︁ Lichtquelle verwendet, wird angegeben und durch Messungen an einer Resonazlampe bei verschiedenen Temperaturen bestätigt.
Die vorliegende Arbeit berichtet ueber die ersten atomoptischen Experimente mit Atomlaserstrahlen. Die Atomlaserstrahlen werden aus Bose-Einstein-Kondensaten, die aus 87Rb- Atomen bestehen, extrahiert und propagieren ballistisch im Gravitationsfeld. Mit Hilfe von Hyperfein-Ramanuebergaengen in einem externen inhomogenen Magnetfeld wird ein Spiegel, ein Strahlteiler und ein Resonator fuer den Atomlaser realisiert. Die Oberflaeche des Spiegels ist durch eine Resonanzbedingung definiert, die von der Differenz der Frequenzen der Ramanlaser und der lokalen Magnetfeldstaerke abh¨angt. Die Reflektion findet an Flaechen konstanten Magnetfeldes statt und somit kann eine extrem glatte Spiegelflaeche realisiert werden. Die Impulsverbreiterung des Atomlaserstrahls bei der Reflektion betraegt weniger als 1/30 eines Photonenr¨uckstoßes und die Reflektivitaet des Materiewellenspiegels liegt bei ¨uber 98%. Mit dem neuen Materiewellenspiegel wird die zeitliche Kohaerenz von Atomlaserstrahlen untersucht. Durch die Retroreflektion des Atomlaserstrahls an dem Spiegel erzielt man eine Ueberlagerung des einlaufenden und des reflektierten Anteils der Welle. Die Verz¨ogerungszeit zwischen den interferierenden Anteilen haengt von der Entfernung des Beobachtungsortes zur Spiegeloberflaeche ab. Das resultierende Interferenzmuster dieser stehenden Materiewelle wird mit einem neuartigen Magnetresonanzverfahren detektiert, das eine raeumlichen Aufl¨osung von 65 nm ermoeglicht. Der gemessene Kontrast ist ein Maß fuer die Kohaerenzzeit bzw. die Energiebreite des Atomlaserstrahls. Die Messung zeigt, daß die Energiebreite des Atomlaserstrahls mit zunehmender zeitlicher Dauer der Auskopplung abnimmt und Fourier-begrenzt durch die Auskopplungsdauer ist. Außerdem setzt die Messung eine Untergrenze fuer die Phasendiffusionszeit des Bose-Einstein-Kondensats. Waehrend des Auskopplungsprozesses des Atomlaserstrahls aus dem Bose-Einstein- Kondensat streuen die Atome an dem repulsiven Potential des in der Falle verbleibenden Bose-Einstein-Kondensats. Dieser Streuvorgang wird sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Um die resultierenden transversalen Strukturen im Atomlaserstrahl sichtbar zu machen, wird ein neues Verfahren zur Impulsvergroeßerung eingesetzt: der Materiewellenspiegel wird in einer Hohlspiegelkonfiguration verwendet, die den Strahl aufweitet und eine Impulsaufl¨osung von 1/100 eines Photonenr¨ucktoßes ermoeglicht. Damit tritt die theoretisch erwartete Aufspaltung des Strahls deutlich hervor. Neben den Eigenschaften der Atomlaserstrahlen wird auch die Kinetik des Wachstumsprozesses von Bose-Einstein-Kondensaten beim Durchqueren des Phasenuebergangs untersucht. DasWachstum von Bose-Einstein-Kondensaten besitzt in Bezug auf den Atomlaser die gleiche Bedeutung wie das Pumpen des Verstaerkungsmediums im optischen Laser. Fuer eine quantitative Untersuchung wird eine thermische Atomwolke oberhalb der kritischen Temperatur pr¨apariert und dann kontrolliert in das quantenentartete Regime gekuehlt. Das Wachstum des Kondensats startet nach dem Beginn des Kuehlens erst mit Verz¨ogerung, und diese Verz¨ogerungszeit wird erstmals gemessen. Fuer schwaches Kuehlen durch den Phasenuebergang beobachtet man einen zweistufigenWachstumsprozeß der Kondensatatomzahl, was moeglicherweise auf Phasenfluktuationen im Entstehungsprozeß hindeutet.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Laserkühlung und der Speicherung von metastabilen Heliumatomen in inhomogenen elektrischen Feldern. Nach einer Einführung in die Grundlagen der Laserkühlung und Speicherung von neutralen Atomen und einem Überblick über experimentelle Techniken in diesem Bereich wird das Prinzip eines Stark-Slowers und eine spezielle Umsetzung für metastabiles Helium beschrieben. Die Laserkühlung der metastabilen Heliumatome, die sich im 2^3S_1-Zustand befinden, erfolgt über einen Übergang in den 3^3P_2-Zustand, wobei man die verhältnismäßig starke elektrische Polarsierbarkeit des 3^3P_2-Zustandes von 4.29 MHz/(kV/cm)^2 nutzt, um in elektrischen Feldern, die man gut im Labor herstellen kann, die während der Laserkühlung veränderliche Doppler-Verschiebung des UV-Laserlichtes (Wellenlänge 389 nm) zu kompensieren. Es wird ebenfalls beschrieben, wie man mit Hilfe eines schwachen Magnetfeldes von ca. 0.5 Gauß optisches Pumpen während der Laserkühlung unterdrücken kann, welches anderen Falls in elektrischen Feldern oberhalb von ca. 20 kV/cm zum Abreißen des Laserkühlungsprozesses führen würde. Der experimentelle Aufbau bestehend aus den verwendeten Lasern und der Vakuumapparatur zur Erzeugung des Heliumatomstrahls wird beschrieben. Als Lasersysteme kommt ein extern frequenzverdoppelter Single-Mode CW-Titan-Saphir-Laser (Wellenlänge 389 nm) und zwei Diodenlaser (Wellenlänge 1083 nm) zum Einsatz. Die Vakuumapparatur besteht aus einer flüssig Stickstoff gekühlten Düsenstrahlquelle für Helium, in der in einer Gasentladung in einem Teil der Heliumatome der metastabile 2^3S_1-Zustand bevölkert wird. Nach einem Abschnitt zur transversalen Laserkühlung und Abtrennung des metastabilen Anteils der Heliumatome vom Rest des Heliumatomstrahls folgt der eigentliche Stark-Slower zum abbremsen der metastabilen Heliumatome. In letzten Teil der Experimente ist die Vakuumapparatur noch um eine magneto-optische Falle zur Speicherung der kalten metastabilen Heliumatome erweitert worden. Die im Experiment gemessenen Flugzeitverteilungen der metastabilen Heliumatome werden mit einem Modell konstanter Beschleunigung und mit einer Computersimulation des Experimentes verglichen. Mit einer ersten Version des Stark-Slowers werden die metastabilen Heliumatome von ca. 1000 m/s auf ca. 180 m/s abgebremst. Nach einer Verbesserung des Stark-Slowers werden Endgeschwindigkeiten von ca. 30 m/s erreicht, die im Einfangbereich der magneto-optischen Falle liegen. Weiter wird die erfolgreiche Unterdrückung des optischen Pumpens in den 2^3S_1-Zustand mit m_J=0 gezeigt. Den Abschluß des experimentellen Teils bilden Messungen zur Speicherung der kalten metastabilen Heliumatome in der magneto-optischen Falle. Die Anzahl der metastabilen Heliumatome wird zu ca. 10^5 abgeschätzt. Die Temperatur der Heliumwolke liegt bei ca. 1.1 mK, wobei jedoch die Geschwindigkeitsverteilung der Heliumatome aber von einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung abweicht. Die Ursache der Abweichung ist nicht bekannt. Im letzten Teil der Arbeit wird ein Modell einer elektro-dynamischen Falle beschrieben. Dabei werden Bewegungsgleichungen der Teilchen in einer solchen Falle hergeleitet, um anschließend zu untersuchen, für welche Parameter diese Fallen in der Lage sind kalte metastabile Heliumatome zu speichern. Abgeschlossen wird die Arbeit nach einer Zusammenfassung der Ergebnisse mit einen Ausblick auf zukünftige Experimente und Möglichkeiten, den Stark-Slower weiter zu verbessern.
Die vorliegende Arbeit beschreibt Experimente zur Speicherung von Zwei-Teilchen-Verschränkung in einem atomaren Bose-Einstein-Kondensat (BEC).Dabei wird ein einzelnes Atom in einem optischen Resonator hoher Güte zur kontrollierten Erzeugung eines einzelnen Photons verwendet, das mit den inneren Freiheitsgraden des Atoms verschränkt ist.Das Einzelphoton wird in einer optischen Faser zum BEC transportiert und dort gespeichert.Auf diese Weise entsteht Verschränkung zwischen Einzelatom und BEC.Die Speicherung des Photons geschieht in einem Schema, das auf elektromagnetisch induzierter Transparenz beruht.Da das BEC eine hohe optische Dichte besitzt und keine thermische Bewegung der Atome stattfindet, können sowohl eine hohe Effizienz des Speicherprozesses als auch lange Speicherzeiten erreicht werden.Darüber hinaus können die inneren Zustände der Atome im BEC sehr gut präpariert werden, was die Speicherung eines Qubits in den Spinzuständen der Atome mit hoher Fidelity ermöglicht.Wir weisen die Verschränkung zwischen Einzelatom und BEC nach, indem wir nach einer variablen Haltezeit das im BEC gespeicherte Photon auslesen und den Zustand des Atoms auf ein zweites Photon abbilden.Die Fidelity des so entstandenen Zwei-Photonen-Zustandes mit dem erwarteten, maximal verschränkten Singulett-Zustand beträgt 95%.Dies zeigt, dass in allen experimentellen Schritten die Verschränkung nahezu perfekt zwischen photonischen und atomaren Qubits umgewandelt wird.Die Atom-BEC-Verschränkung kann noch nach 100 µs nachgewiesen werden.Diese Zeit übersteigt die Dauer der Einzelphotonen um 2 Größenordnungen.Eine notwendige Voraussetzung für die erfolgreiche Durchführung dieses Experiments war eine gründliche Charakterisierung und Optimierung des Quantenspeichers.Hierzu wurden an der Stelle von Einzelphotonen abgeschwächte Laserpulse mit definierter Polarisation gespeichert.Es zeigt sich, dass selbst nach einer Speicherzeit von 800 µs der mittlere Überlapp des ausgelesenen Polarisationszustandes mit dem Eingangszustand noch 90(2)% beträgt.iii v 5. Stöße und Dynamik in ultrakalten Gasen 5.1.Ultrakalte Quantengase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2.Kohärente Atompaar-Molekül-Oszillationen . . . . . . . . . . . . . .5.3.Verluste erzeugen Korrelationen in einem eindimensionalen molekularen Gas . . . . . . . . . . . . .
Rydberg Atome sind auf Grund ihrer starken und kontrollierbaren Wechselwirkungen gut geeignet zur Quantensimulation von lang-reichweitig wechelwirkenden Systemen mit ultrakalten Atomen in optischen Gittern. In dieser Arbeit wird die Präparation und hochauflösende Abbildung von Rydberg Vielteilchensystemen demonstriert und die spontane Entstehung selbst-organisierter Ordnung beobachtet. In einer ersten Reihe von Experimenten wird die Ordnung in den post-selektierten Komponenten hoher Anregungsdichte bei hoher Temperatur untersucht. Die räumliche Konfiguration der Rydberg-Atome wird mit einer neuartigen Abbildungsmethode detektiert, die es ermöglicht die Position der individuellen Rydberg-Atome im Gitter durch Fluoreszenzabbildung der ehemaligen Rydberg-Atome nach dem Umpumpen in der Grundzustand zu bestimmen. Aus den gemessenen Rydberg-Positionen werden Korrelationsfunktionen berechnet und der Blockaderadius bestimmt. Für eine zweite Experimentreihe wird die Zeitabhängigkeit der optischen Kopplung an den Rydberg-Zustand kontrolliert. Zusammen mit der genauen Modellierung des Besetzungsmusters im optischen Gitter erlaubt dies die adiabatische Präparation von Rydberg Kristallen. Das System kann auch durch einen Ising Hamiltonian mit polynomialen Wechselwirkungen beschrieben werden, das diskutierte Szenario entspricht damit der Grundzustandspräparation in einem Quantenmagnet. Es werden Eigenschaften des kristallinen Grundzustands wie seine verschwindende Suszeptibilität und lokale Magnetisierungsdichten gemessen. Diese Arbeit stellt ein neue Stufe der Kontrolle über lang-reichweitig wechselwirkende Spin-Systeme dar und ebnet den Weg zur Quantensimulation mit Rydberg Atomen.
Abstract Die theoretische und experimentelle Untersuchung von Lichtdruckeffekten befindet sich derzeit in einer stürmischen Entwicklung, deren Ausgangspunkt die Laserkühlung von Atomstrahlen ist. Inzwischen sind Lichtdruckeffekte zu einem wertvollen Werkzeug geworden, das nicht nur interessante experimentelle Präparationsmöglichkeiten eröffnet, sondern auch den Übergang vom klassischen zum wellenmechanischen Regime der Schwerpunktsbewegung erlaubt. Immer mehr Anwendungsfelder profitieren von diesen einzigartigen Untersuchungsmöglichkeiten an der Nahtstelle zwischen Atomphysik und Quantenoptik.