Die Lebensdauer der metastabilen s3- und s5- Zust�nde des Neons

M. Zinner

G. Lüders

Abstract Es wird eine Neuberechnung des Einflusses elektrischer Felder auf die Lebensdauer des metastabilen Niveaus des Wasserstoffatoms unter Berücksichtigung der Lamb-shift vorgelegt. Durch die Lamb-shift wird die mittlere Lebensdauer zwischen 0,03 und 10 Volt cm-1 um mehr als zwei Zehnerpotenzen verlängert.

F.M. Penning

Peter Spoden

Diese Arbeit ist dem Studium eines kalten Gases aus Neonatomen im metastabilen 3s[3/2] 2 -Zustand gewidmet.Sie umfasst die präzise Bestimmung der Lebensdauer dieses Zustandes und eine detaillierte Untersuchung elastischer und inelastischer Stöße zwischen spinpolarisierten Atomen.Basierend auf der Messung der entsprechenden Stoßparameter wurde gezeigt, dass das Isotop 22 Ne besser als 20 Ne für die Verdampfungskühlung geeignet ist.Eine Erhöhung der Phasenraumdichte eines 22 Ne-Ensembles konnte beobachtet werden.Die Realisierung eines Bose-Einstein-Kondensates metastabilen Neons durch evaporatives Kühlen wird allerdings durch die vergleichsweise hohen inelastischen Stoßraten erschwert.Für die hier beschriebenen Messungen wurden Neonatome in einer magnetooptischen Falle bzw. in einer magnetostatischen Falle gespeichert.Durch Laserkühlung innerhalb der Magnetfalle konnten zuverlässig Ensembles mit über 95% Besetzung des magnetischen Unterzustandes m J = + 2 präpariert werden.Sie weisen eine typische Temperatur von 0,5 mK, eine zentrale Dichte von bis zu 10 11 cm -3 und eine zentrale Phasenraumdichte von bis zu 4,4 × 10 -7 auf.Die natürliche Lebensdauer des metastabilen Zustands wurde aus der exponentiellen Abnahme der Anzahl gespeicherter 20 Ne-Atome ermittelt.Nach Berücksichtigung systematischer Einflüsse konnte sie zu 14,73(14) s bestimmt werden.Elastische Stöße konnten durch die Beobachtung der Relaxation einer anisotropen Temperaturverteilung des Atomensembles nachgewiesen werden.Bei den vorherrschenden Temperaturen wird deren Wirkungsquerschnitt durch die s-Wellen Streulänge a spezifiziert.Sie ist bei 20 Ne wahrscheinlich negativ und beträgt a = -105(4) stat (18) syst a 0 ( a 0 = 5,29×10 -11 m).Die Streulänge von 22 Ne ist mit hoher Wahrscheinlichkeit positiv und liegt zwischen 150 a 0 und 1050 a 0 mit einem wahrscheinlichsten Wert von a = +310(70) stat a 0 .Inelastische Stöße metastabiler Neonatome treten hauptsächlich als Penning-Ionisation auf.Durch die Bestimmung von Fallenverlusten und Heizraten konnte die dichteabhängige Rate inelastischer Stöße bestimmt werden.Sie wird durch den Verlustparameter β charakterisiert.Durch eine detaillierte Analyse konnte der Grad ihrer Unterdrückung β unpol /β pol durch Spinpolarisation ermittelt werden.Für 20 Ne beträgt er 47(20) mit Verlustparametern von β unpol = 2,5(8) × 10 -10 cm 3 s -1 und β pol = 5,3(15) × 10 -12 cm 3 s -1 und für 22 Ne lediglich 9(6) mit β unpol = 8(5) × 10 -11 cm 3 s -1 und β pol = 9,4(26) × 10 -12 cm 3 s -1 .Die Unterdrückung inelastischer Stöße erweist sich hiermit um Größenordnungen geringer als prognostiziert.Aufgrund eines höheren Verhältnisses elastischer zu inelastischer Stoßraten ist 22 Ne besser für das evaporative Kühlen geeignet als 20 Ne.Entsprechende erste Experimente wurden durchgeführt.Es konnte bei 22 Ne eine Erhöhung der Phasenraumdichte um eine Größenordnung durch Evaporation beobachtet werden.Simulationsrechnungen der Verdampfungskühlung zeigen, dass insgesamt eine Erhöhung der Phasenraumdichte um zwei bis sieben Größenordnungen -je nach tatsächlicher Größe der Streulänge -erzielbar sein sollte.

Norihito Suzuki

Alexander Batär

Das Forschungsprojekt, in dessen Rahmen die Promotionsarbeit durchgefuhrt wurde, ist auf dem Themengebiet der ultrakalten atomaren Gase angesiedelt. Die speziellen Ziele in diesem Projekt sind Untersuchungen zur Mischbarkeit und Superfluiditat an gemischten Quantengasen aus paramagnetischen Rubidium(Rb)- und diamagnetischen Ytterbium(Yb)-Atomen, und insbesondere die kontrollierte (koharente) Erzeugung ultrakalter heteronuklearer Molekule, sowie die Erzeugung eines fermionischen Yb-Quantengases. Weiterfuhrende Untersuchungen zu dipolaren Quantengasen und Prazisionsmessungen erganzen die Vielfalt der moglichen Experimente an diesem System. Ein wichtiger Bestandteil meiner Promotionsarbeit war die Konzeption und der Aufbau einer neuartigen Apparatur, die es ermoglicht Gemische aus Quantengasen zu erzeugen. Die Tauglichkeit der Apparatur konnte mit der Erzeugung eines Rb-Bose-Einstein-Kondensates(BEC) und der Herstellung ultrakalter Yb-Ensembles demonstriert werden. Als weiterer Schwerpunkt wurden speziell die Eigenschaften des Yb beim Kuhlen und Fangen untersucht, um Erkenntnisse fur die weitere Vorgehensweise bei der Erzeugung eines gemischten Quantengases festzulegen. Hierbei wurden erstmals Sub-Doppler-Temperaturen in einer magneto-optischen Falle(MOT) mit fermionischem Yb beobachtet, sowie erstmals die Lebensdauer eines metastabilen Zustands gemessen. Die wesentlichsten Bestandteile der Apparatur sind eine speziell konstruierte Vakuumkammer, eine Reihe von Lasersystemen, komplexe optische Aufbauten, sowie ein komplexes System aus Elektromagneten. Damit ist es moglich, zwei Atomsorten unabhangig voneinander zu fangen und zu kuhlen. Hierzu wurden MOTs sowie eine Magnetfalle(MT) und eine bichromatische optische Dipolfalle(ODT) konzipiert, und bis auf die ODT auch im Experiment eingesetzt, womit die unabhangige Kontrolle und Manipulierbarkeit beider Spezies moglich ist. Die Rb-Atome wurden aus einer MOT mit >10^9 Atomen im F=2,m_F=2-Zustand mit einer Temperatur von einigen 100 mu K in die MT geladen, wo durch radiofrequenzinduzierte Verdampfungskuhlung bis zu Temperaturen von einigen 100 nK ein BEC mit bis zu 6 * 10^6 Atomen erzeugt wurde. Aus Lebensdauermessungen des magnetisch gespeicherten BECs konnte der Koeffizient fur Dreikorperverluste zu 1,3 * 10^{-29} cm^6/s bestimmt werden, was mit theoretischen Vorhersagen und anderen experimentellen Befunden ubereinstimmt. Da keine technischen Limitationen der Lebensdauer beobachtet wurden, erfullt die im Rahmen dieser Doktorarbeit konzipierte und erstellte Apparatur hinsichtlich der Erzeugung eines Rb-BECs alle erforderlichen Voraussetzungen. Im zweiten Abschnitt meiner Promotion wurden speziell die Eigenschaften von Yb untersucht. Es wurden alle sieben stabilen Yb-Isotope mit Atomzahlen von bis zu 2 * 10^7 in eine MOT auf dem 1S_0 -> 1P_1-Ubergang geladen. Hierbei wurden erstmals bei fermionischen Yb-Isotopen durch Polarisationsgradientenkuhlung in einer MOT Temperaturen weit unter dem Dopplerlimit von 672 mu K erreicht und die Abhangigkeit von experimentellen Parametern untersucht. Die minimal erreichten Temperaturen lagen bei 10 mu K und 80 mu K fur {173}Yb bzw. {171}Yb. Dieses fur den weiteren Fortgang des Experiments sehr wichtige Ergebnis ermoglicht fur die fermionischen Yb-Isotope im Gegensatz zu den Bosonen, bei denen keine Sub-Dopplerkuhlung moglich ist, ein vereinfachtes Kuhlverfahren. Um die Moglichkeiten und Limitationen des simultanen Einschlusses beider Spezies in dieser Apparatur zu untersuchen, wurde eine gemischte MOT aus Rb- und Yb-Atomen erzeugt. Die hierbei beobachteten verminderten Atomzahlen im Vergleich zu den einzelnen MOTs fuhren dazu, dass fur die Erzeugung eines gemischten Quantengases ein alternatives Ladeschema erforderlich ist, das nicht auf einer gemischten MOT basiert. Ein solches Ladeschema wurde aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit konzipiert und soll im weiteren Verlauf des Projekts umgesetzt werden. Ein moglicher Weg zu einem gemischten Quantengas fuhrt uber das zwischenzeitliche magnetische Speichern von Yb im metastabilen ^3P_2-Zustand, der im Gegensatz zum nicht magnetisch fangbaren diamagnetischen Grundzustand des Yb ein magnetisches Moment von mu = 3 \mu_B besitzt und damit in einer MT gespeichert werden kann. Uber einen naturlichen Zerfallskanal fallen die Yb-Atome aus dem MOT-Zyklus in den metastabilen ^3P_2-Zustand wodurch eine durch das MOT-Magnetfeld gebildete MT kontinuierlich geladen wird. Hierbei war es moglich bis zu 4 * 10^5 Atome zu fangen. Untersuchungen der Magnetfalle ergaben fur das bosonische ^{174}Yb Lebensdauern von bis zu 13,7 s und fur das fermionische ^{173}Yb Lebensdauern von bis zu 11 s, die in beiden Fallen atomzahlabhangig waren. Die langsten Lebensdauern sind dabei in guter Ubereinstimmung mit der bisher nur theoretisch berechneten naturlichen Lebensdauer von 14,5 s fur ^{174}Yb. Die beobachtete Abhangigkeit von der Atomzahl bei ^{174}Yb konnte auf dichteabhangige Verluste zuruckgefuhrt werden, wobei die Verlustrate zu (1,4 +/- 1,0) * 10^{-10}cm^3/s bestimmt wurde. Aufgrund der komplizierten Niveaustruktur von ^{173}Yb war eine Bestimmung hier nicht moglich. Die Bestimmung dieser Verlustkonstanten war essentiell fur den weiteren Fortgang des Experiments, da sie eine direkte Herbeifuhrung der Quantenentartung im metastabilen Zustand ausschliest, aber weiterhin die Moglichkeit zur zwischenzeitlichen Speicherung in diesem Zustand offen last. Die gemessenen Lebensdauern geben erstmalig experimentell ermittelte Grenzwerte fur die Lebensdauer des metastabilen Triplettzustands von Yb an.