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Sympathetische Kühlung von Ytterbium mit Rubidium

Sven Tassy

Published Jan 1, 2007• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Das Thema dieser Arbeit ist die Erzeugung und Charakterisierung eines Gemischs aus ultrakalten Ytterbium- und Rubidiumatomen. Im Rahmen der Arbeit konnte erstmals die sympathetische Kuhlung von Ytterbium mit Rubidium demonstriert werden. In detaillierten Studien wurde zeitaufgelost das Thermalisierungsverhalten der bosonischen Isotope 170Yb, 172Yb, 174Yb, 176Yb und des fermionischen 171Yb jeweils mit 87Rb unter verschiedenen experimentellen Bedingungen untersucht. Aus den Messungen konnten die folgenden Werte fur der Betrag der Interspezies-Streulange |a_(Yb-Rb)| ermittelt werden (in Einheiten des Bohr'sches Radius a_0): 170Yb--87Rb 18 (+12) (-4) 171Yb--87Rb 25 (+14) (-7) 172Yb--87Rb 33 (+23) (-7) 174Yb--87Rb 83 (+89) (-25) 176Yb--87Rb 127 (+245) (-45) Die Werte sind aufgrund von systematischen Unsicherheiten bei der Bestimmung relevanter experimenteller Parameter mit grosen absoluten Fehlern behaftet, wobei insbesondere die Ungenauigkeit bei der Bestimmung des raumlichen Uberlapps der Atomwolken eine grose Rolle spielt. Die statistischen Fehler der Auswertung sind erheblich kleiner, sodass die Werte einen guten relativen Vergleich der Interspezies-Stoseigenschaften erlauben. Die beobachtete Massenabhangigkeit der Betrage der Streulangen deutet darauf hin, dass das Vorzeichen der Interspezies-Streulange wahrscheinlich fur alle Ytterbiumisotope negativ ist, was einer attraktiven Wechselwirkung mit Rubidium entsprache. Eine eindeutige Aussage uber das Vorzeichen ist bei der angewendeten Methode der Bestimmung der Streulange jedoch prinzipiell nicht moglich. Die gewonnenen Erkenntnisse stellen einen guten Ausgangspunkt fur weitere Arbeiten mit gemischten Quantengasen und fur die Erzeugung ultrakalter heteronuklearer Molekule dar. Fur diese Experimente ist eine neuartige Fallengeometrie entwickelt worden, die die Untersuchung von Gemischen aus zwei atomaren Spezies ermoglicht, die wie das diamagnetische Ytterbium und das paramagnetische Rubidium unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen. Dabei werden die Ytterbiumatome optisch und die Rubidiumatome magnetisch gefangen. Die optische Falle fur Ytterbium wird in Form einer bichromatischen optischen Dipolfalle ausgefuhrt, die aus zwei uberlagerten Einstrahlfallenverschiedener Wellenlange besteht. Bei geeigneter Wahl der Wellenlangen und Fokusgrosen gleichen sich fur Rubidium die optischen Potenziale weitgehend aus, sodass der Einschluss der Rubidiumatome in erster Naherung ausschlieslich durch das magnetische Potenzial bestimmt wird. Diese Fallenkonfiguration erlaubt die unabhangige Praparation der beiden Ensembles mit individuellen Fallenparametern und die unabhangige Manipulation der Atomwolken, wodurch der Kontakt zwischen den Spezies gezielt kontrolliert werden kann. Damit steht ein flexibles und leistungsfahiges Werkzeug zur Verfugung, das vielfaltige Experimente im System Ytterbium-Rubidium erlaubt und daruber hinaus leicht auf andere Elementkombinationen mit ahnlichen magnetischen Eigenschaften ubertragbar ist.

Related papers

Erzeugung und Charakterisierung ultrakalter Rubidium- und Ytterbiumatome - Auf dem Weg zu einem gemischten Quantengas

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.

•Jan 1, 2005•2 citations

Feshbach-Resonanzen bei Stößen ultrakalter Rubidiumatome

Andreas Marte

Atomare Bose-Einstein-Kondensate in ultrakalten, verdünnten Gasen stellen nahezu ideale Quantengase dar, die seit 1995 experimentell untersucht werden können. In den neuesten Experimenten spielt die interatomare Wechselwirkung eine entscheidene Rolle für die große Vielfalt der beobachteten Phänomene. So ist es beispielsweise möglich, die Wechselwirkung der Atome untereinander durch Magnetfeld-induzierte Resonanzen im elastischen Stoßquerschnitt, so genannte Feshbach-Resonanzen, gezielt zu verändern. Thema der vorliegenden Arbeit ist die Beobachtung von mehr als 40 magnetisch-induzierten Feshbach-Resonanzen bei Stößen ultrakalter Atome, erstmals anhand des Isotops Rubidium 87, welches weltweit in der großen Mehrzahl der Experimente zur Bose-Einstein-Kondensation verwendet wird. Untersucht wurde hierbei der Magnetfeldbereich zwischen 0,5 und 1261 G sowie unterschiedliche Spinmischungen. Als Signatur der Resonanzen dienten Teilchenverluste in optisch gespeicherten Ensembles von Atomen infolge resonant überhöhter inelastischer Stoßprozesse. Mittels Mikrowellenspektroskopie wurden die Resonanzpositionen mit einer hohen absoluten Genauigkeit von ca. 30 mG bestimmt. Ursprünglich waren lediglich vier Feshbach-Resonanzen für den Zustand |f,mf>=|1,1> vorhergesagt worden, welche durch Kopplung des Streuzustandes an gebundene Molekülzustände mit der Drehimpulsquantenzahl l=0 hervorgerufen werden. In Zusammenarbeit mit Prof. B. J. Verhaar und E. G. M. van Kempen von der Technischen Universität Eindhoven konnten alle Resonanzen bis auf eine unter Berücksichtigung zusätzlicher Kopplungsmechanismen und weiterer Eingangskanäle eindeutig identifiziert werden. Darüber hinaus gelang es, anhand der experimentell bestimmten Resonanzpositionen einen verbesserten Parametersatz für das Wechselwirkungspotential von Rubidium abzuleiten. Die Abweichungen zwischen experimentell bestimmten und theoretisch vorhergesagten Resonanzpositionen bewegen sich nunmehr im Bereich weniger Promille. Im Bereich der breitesten Resonanz des Eingangskanals |1,1>×|1,1> bei ca. 1007 G wurde der beobachtete Teilchenverlust genauer untersucht. Auf der Resonanz folgt die Abnahme der Teilchenzahl auf langen Zeitskalen einem resonant überhöhten Drei-Körper-Zerfall mit einer Ratenkonstanten, die den entsprechenden Wert fernab der Resonanz um ca. zwei Größenordnungen übersteigt. Die Messungen legen zudem die Existenz eines zusätzlichen Zerfallsmechanismus nahe, der auf extrem kurzen Zeitskalen (< 1 ms) stattfindet. Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen geben Anlaß zu der Vermutung, dass kohärente Kopplungen zwischen Atomen, Molekülen und dissoziierten Atom-Atom-Paaren hierbei eine entscheidende Rolle spielen. Die Arbeit enthält ferner die Beschreibung und Charakterisierung einer neuen Apparatur, die es erlaubt, Bose-Einstein-Kondensate mit hoher Wiederholrate und hervorragender Reproduzierbarkeit zu erzeugen, unabdingbare Voraussetzungen für die durchgeführten Untersuchungen an Feshbach-Resonanzen in Rubidium 87.

•Jan 1, 2003•10 citations

Hybridsystem ultrakalter Atome und supraleitender Ringstrukturen

P. Weiss

Durch die zunehmend gute Kontrolle einzelner Quantensysteme ist es möglich geworden verschiedene Quantensysteme zu kombinieren und in Wechselwirkung zu bringen. Dadurch entstand das Feld der hybriden Quantensysteme, welches sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt hat. In dieser Arbeit wird das hybride Quantensystem aus supraleitenden Ringstrukturen und Wolken aus ultrakalten Rubidium-87 Atomen untersucht. Bei geschlossenen Wegen in Supraleitern, wie sie Ringe darstellen, ist der magnetische Fluss durch die umschlossene Fläche in ganzzahligen Vielfachen des magnetischen Flussquants quantisiert. Es wird in dieser Arbeit aufgezeigt, dass ultrakalte Atomwolken im Einflussbereich des supraleitenden Rings durch einzelne Flussquanten beeinflusst werden können. Die verschiedenen Auswirkungen der Flussquanten auf das atomare Ensemble, wie die Fallenfrequenz und damit die Schwerpunktsschwingung der Wolke im Potenzial, ebenso wie die Veränderung des Dichteprofils der Atomwolke und der in der Falle speicherbaren Atomzahl werden demonstriert. Dazu werden Messungen der Atomwolke im Einflussbereich der Flussquanten des Rings durchgeführt und ausgewertet, um experimentell die deutliche Sensitivität der Atomwolke auf einzelne Flussquanten über einen weiten Bereich von mehr als zehn Quanten zu demonstrieren. Zum besseren Verständnis und zur Interpretation der Messdaten werden numerische Berechnungen des Fallenpotenzials durchgeführt und ein Modell für die Dichteverteilung der Atome aufgestellt und mit den Messwerten verglichen. Dies stellt eine Voraussetzung und einen ersten grundlegenden Schritt hin zur Kopplung von Flussquanten und Wolken aus ultrakalten Atomen dar und eröffnet den weiteren Weg zur Übertragung von Zuständen zwischen diesen beiden Quantensystemen.

•Jan 1, 2017•0 citations

Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats aus Erbiumatomen in einer quasi-elektrostatischen Dipolfalle

Jens Ulitzsch

Ultrakalte Gase dienen seit den Achtzigerjahren der Erforschung neuartiger physikalischer Phänomene, in deren Rahmen zum Beispiel erstmals die Realisierung atomarer Bose-Einstein-Kondensate sowie die quantenentarteter Fermi-Gase gelang. Anfangs konnten diese Zustände ausschließlich mit Alkaliatomen erreicht werden. Erst im vergangenen Jahrzehnt gelang es auch Atome mit komplexerer innerer Struktur zu kondensieren, die teilweise einen von Null verschiedenen elektronischen Bahndrehimpuls im Grundzustand aufweisen, wie etwa die Lanthanoide Erbium und Dysprosium. Ultrakalte Gase aus solchen Atomen lassen sich auf neue Art und Weise mit Laserlicht fern verstimmter Frequenz manipulieren. Weiterhin weisen sie einen starken dipolaren Charakter auf, welcher die Wechselwirkungen im ultrakalten Gas dominiert und damit zu neuen Wechselwirkungsphänomenen führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig eine Bose-Einstein-Kondensat von Erbiumatomen im Potential einer extrem weit von den atomaren Resonanzen verstimmten quasi-elektrostatischen Dipolfalle erzeugt. Zentraler Teil dieser Arbeit war die Realisierung eines effizienten Umladeprozesses aus der magnetooptischen Falle in die quasi-elektrostatischen Dipolfalle, in welcher eine weitere evaporative Kühlung des Bose-Gases bis in den Bereich der Quantenentartung erfolgte. Da sich das Bose-Einstein-Kondensat nur in sehr reinen Ultrahochvakuumatmosphären beobachten lässt, wurde in einem ersten Schritt ein Vakuumsystem konstruiert und aufgebaut, welches aus einer Effusionszelle, einem Zeeman-Kühler und einer Hauptkammer besteht. Mit Hilfe der Effusionszelle wird ein Atomstrahl produziert und nach deren Verlassen, mit Hilfe des Kühlübergangs bei 400,91 nm transversal gekühlt und kollimiert. Longitudinal wird der Atomstrahl mit Hilfe eines Zeeman- Kühlers abgebremst, der ebenfalls den Kühlübergang bei 400,91 nm nutzt. Aus dem Atomstrahl wird eine magnetooptische Falle geladen, die mit Licht der Wellenlänge 582,84 nm betrieben wird. Die in der magnetooptischen Falle gefangenen Atome werden zur weiteren Abkühlung in ein quasi-elektrostatisches Dipolfallenpotential umgeladen, welches durch den fokussierten Laserstrahl eines CO2 -Lasers der Wellen- länge 10,6 μm gebildet wird. Mit Hilfe der darauf folgenden Evaporationsphase konnte die Phasenraumdichte über den kritischen Wert für den Phasenübergang erhöht und die Herausbildung eines Bose-Einstein-Kondensats aus Erbiumatomen beobachtet werden. Das Bose-Einstein-Kondensat beinhaltet etwa 3 · 10^4 Erbiumatome und hat eine Lebensdauer von etwa 8 s. Eine Perspektive der hier gewonnenen Ergebnisse ist die Erzeugung neuartiger Quantenzustände von Materie, sowie zum Beispiel die Untersuchung des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts in extrem starken künstlichen Magnetfeldern induziert durch weit verstimmte optische Raman-Lichtfelder.

•Mar 2, 2017•0 citations

Efimov-Physik im Lithium-Rubidium-Gemisch

Maier, Reinhardt

Thema dieser Dissertation sind Experimente zum Nachweis einer Efimov-Resonanz im ultrakalten Gemisch atomarer Lithium- und Rubidium-Gase. Für diese Experimente wurde die bestehende Apparatur umfangreich verändert und erweitert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals eine Efimov-Resonanz im Lithium-Rubidium-Gemisch beobachtet werden. Dazu wurde Kollisionsheizen nahe der breiten s-Wellen-Feshbach-Resonanz im Streukanal 7Li |1,1> + 87Rb |1,1> bei einer Magnetfeldstärke von 661G untersucht. Die heteronukleare Efimov-Resonanz zeigt sich durch eine überhöhte Dreikörperrekombinationsrate in der Hochfeldflanke der Feshbach-Resonanz. Zwei weitere Resonanzen wurden mit verbesserter Auflösung untersucht, womit ein neues Modell der Molekülpotentiale der Lithium-Rubidium-Isotopensysteme entwickelt werden konnte. Es liefert für die beobachtete Efimov-Resonanz einen Wert für die Streulänge von −1870(121)a0 Bohrradien. Die Übereinstimmung unterstützt die aktuell diskutierte Vermutung der Van-der-Waals-Universalität des Dreikörperparameters auch für heteronuklare Gemische. In einem zweiten Experiment wurden Radiofrequenzspektren an einem stark wechselwirkenden, fermionischen Lithium-Gas aufgenommen. In der Nähe einer p-Wellen-Feshbach-Resonanz bei 159,15 G konnten quasi-gebundene Moleküle und freie Atome beobachtet werden. Die Bindungsenergie konnte durch Radiofrequenzassoziation direkt gemessen werden.

•Jun 18, 2018•0 citations

Ultrakalte Quantengase und Atomlaser

Schneider, Jens

Thema der vorliegenden Arbeit ist die Bose-Einstein-Kondensation stark verdünnter atomarer Gase. Nach einer Einführung in die Theorie solcher schwach wechselwirkender Quantengase und einer Zusammenfassung wesentlicher experimenteller Ergebnisse aus dem Gebiet der Bose-Einstein-Kondensation wird zunächst die Physik ultrakalter, in Atomfallen gefangener Fermigase diskutiert. Dieses Gebiet hat sich in den letzten Jahren parallel zu dem der kondensierten Bosegase stark entwickelt und bietet vielversprechende Möglichkeiten, Modelle wie die BCS-Theorie erstmals in fast idealen Fermigasen zu untersuchen. Es werden Ergebnisse zu den thermodynamischen Eigenschaften solcher Gase vorgestellt, die vor allem für mesoskopische Teilchenzahlen (unter 1000) relevant sind. Dabei wird insbesondere auf Schaleneffekte bei der Dichteverteilung in einer Atomfalle und bei der Wärmekapazität eingegangen. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Physik von Atomlasern diskutiert. Als "Atomlaser" bezeichnet man Systeme, die in der Lage sind, kohärente Materiewellen aus Atomen zu erzeugen. Die einem Bose-Einstein-Kondensat inhärente Kohärenz wird in Experimenten genutzt, um mittels eines kohärent arbeitenden Auskoppelmechanismus solche Atomstrahlen herzustellen. Die zugehörige Physik wird durch die so genannte Gross-Pitaevskii-Gleichung beschrieben, einer Art nichtlinearen Schrödingergleichung für die Wellenfunktionen der beteiligten Hyperfeinzustände des Bose-Einstein-Kondensats aus 87Rb-Atomen. In der vorliegenden Arbeit wurden unter anderem die Auskoppelstärke mittels analytischer und vor allem numerischer Methoden untersucht. Darüber hinaus konnten Aussagen über das zeitliche Verhalten von Atomlasern gewonnen, die mit zwei Radiofrequenzen betrieben werden. In diesem Fall wird der Atomstrahl aus zwei interferierenden Materiewellen verschiedener Energie gebildet, sodass kohärente, atomare Pulse mit makroskopischen Dimensionen auftreten. Im letzten Abschnitt wird mit der Spurafluidität ein weiterer, sehr interessanter Aspekt von kondensierten Bosegasen behandelt. Nach einer Einführung in die Bestimmung quantenstatistischer Eigenschaften von Vielteilchensystemem mithilfe von Pfadintegral-Monte-Carlo-Verfahren wird der suprafluide Anteil eines kondensierten Bosegases mit verschiedenen Approximationen berechnet. Dazu wird neben den Pfadintegralen eine auf so genannten Permutationszykeln beruhende Methode eingesetzt, mit der man die Zustandssumme von Bosonen im kanonischen Ensemble und damit auch viele andere Größen ausrechnen kann. Auf diese Weise konnte der suprafluide Anteil eines idealen Bosegases im kanonischen Ensemble erstmals vollständig quantenmechanisch exakt ermittelt werden.

•Jan 1, 2001•0 citations
Das Thema dieser Arbeit ist die Erzeugung und Charakterisierung eines Gemischs aus ultrakalten Ytterbium- und Rubidiumatomen. Im Rahmen der Arbeit konnte erstmals die sympathetische Kuhlung von Ytterbium mit Rubidium demonstriert werden. In detaillierten Studien wurde zeitaufgelost das Thermalisierungsverhalten der bosonischen Isotope 170Yb, 172Yb, 174Yb, 176Yb und des fermionischen 171Yb jeweils mit 87Rb unter verschiedenen experimentellen Bedingungen untersucht. Aus den Messungen konnten die folgenden Werte fur der Betrag der Interspezies-Streulange |a_(Yb-Rb)| ermittelt werden (in Einheiten des Bohr'sches Radius a_0):
170Yb--87Rb 18 (+12) (-4)
171Yb--87Rb 25 (+14) (-7)
172Yb--87Rb 33 (+23) (-7)
174Yb--87Rb 83 (+89) (-25) 176Yb--87Rb 127 (+245) (-45)
Die Werte sind aufgrund von systematischen Unsicherheiten bei der Bestimmung relevanter experimenteller Parameter mit grosen absoluten Fehlern behaftet, wobei insbesondere die Ungenauigkeit bei der Bestimmung des raumlichen Uberlapps der Atomwolken eine grose Rolle spielt. Die statistischen Fehler der Auswertung sind erheblich kleiner, sodass die Werte einen guten relativen Vergleich der Interspezies-Stoseigenschaften erlauben. Die beobachtete Massenabhangigkeit der Betrage der Streulangen deutet darauf hin, dass das Vorzeichen der Interspezies-Streulange wahrscheinlich fur alle Ytterbiumisotope negativ ist, was einer attraktiven Wechselwirkung mit Rubidium entsprache. Eine eindeutige Aussage uber das Vorzeichen ist bei der angewendeten Methode der Bestimmung der Streulange jedoch prinzipiell nicht moglich. Die gewonnenen Erkenntnisse stellen einen guten Ausgangspunkt fur weitere Arbeiten mit gemischten Quantengasen und fur die Erzeugung ultrakalter heteronuklearer Molekule dar.
Fur diese Experimente ist eine neuartige Fallengeometrie entwickelt worden, die die Untersuchung von Gemischen aus zwei atomaren Spezies ermoglicht, die wie das diamagnetische Ytterbium und das paramagnetische Rubidium unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen. Dabei werden die Ytterbiumatome optisch und die Rubidiumatome magnetisch gefangen. Die optische Falle fur Ytterbium wird in Form einer bichromatischen optischen Dipolfalle ausgefuhrt, die aus zwei uberlagerten Einstrahlfallenverschiedener Wellenlange besteht. Bei geeigneter Wahl der Wellenlangen und Fokusgrosen gleichen sich fur Rubidium die optischen Potenziale weitgehend aus, sodass der Einschluss der Rubidiumatome in erster Naherung ausschlieslich durch das magnetische Potenzial bestimmt wird. Diese Fallenkonfiguration erlaubt die unabhangige Praparation der beiden Ensembles mit individuellen Fallenparametern und die unabhangige Manipulation der Atomwolken, wodurch der Kontakt zwischen den Spezies gezielt kontrolliert werden kann. Damit steht ein flexibles und leistungsfahiges Werkzeug zur Verfugung, das vielfaltige Experimente im System Ytterbium-Rubidium erlaubt und daruber hinaus leicht auf andere Elementkombinationen mit ahnlichen magnetischen Eigenschaften ubertragbar ist.
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.
Atomare Bose-Einstein-Kondensate in ultrakalten, verdünnten Gasen stellen nahezu ideale Quantengase dar, die seit 1995 experimentell untersucht werden können. In den neuesten Experimenten spielt die interatomare Wechselwirkung eine entscheidene Rolle für die große Vielfalt der beobachteten Phänomene. So ist es beispielsweise möglich, die Wechselwirkung der Atome untereinander durch Magnetfeld-induzierte Resonanzen im elastischen Stoßquerschnitt, so genannte Feshbach-Resonanzen, gezielt zu verändern. Thema der vorliegenden Arbeit ist die Beobachtung von mehr als 40 magnetisch-induzierten Feshbach-Resonanzen bei Stößen ultrakalter Atome, erstmals anhand des Isotops Rubidium 87, welches weltweit in der großen Mehrzahl der Experimente zur Bose-Einstein-Kondensation verwendet wird. Untersucht wurde hierbei der Magnetfeldbereich zwischen 0,5 und 1261 G sowie unterschiedliche Spinmischungen. Als Signatur der Resonanzen dienten Teilchenverluste in optisch gespeicherten Ensembles von Atomen infolge resonant überhöhter inelastischer Stoßprozesse. Mittels Mikrowellenspektroskopie wurden die Resonanzpositionen mit einer hohen absoluten Genauigkeit von ca. 30 mG bestimmt. Ursprünglich waren lediglich vier Feshbach-Resonanzen für den Zustand |f,mf>=|1,1> vorhergesagt worden, welche durch Kopplung des Streuzustandes an gebundene Molekülzustände mit der Drehimpulsquantenzahl l=0 hervorgerufen werden. In Zusammenarbeit mit Prof. B. J. Verhaar und E. G. M. van Kempen von der Technischen Universität Eindhoven konnten alle Resonanzen bis auf eine unter Berücksichtigung zusätzlicher Kopplungsmechanismen und weiterer Eingangskanäle eindeutig identifiziert werden. Darüber hinaus gelang es, anhand der experimentell bestimmten Resonanzpositionen einen verbesserten Parametersatz für das Wechselwirkungspotential von Rubidium abzuleiten. Die Abweichungen zwischen experimentell bestimmten und theoretisch vorhergesagten Resonanzpositionen bewegen sich nunmehr im Bereich weniger Promille. Im Bereich der breitesten Resonanz des Eingangskanals |1,1>×|1,1> bei ca. 1007 G wurde der beobachtete Teilchenverlust genauer untersucht. Auf der Resonanz folgt die Abnahme der Teilchenzahl auf langen Zeitskalen einem resonant überhöhten Drei-Körper-Zerfall mit einer Ratenkonstanten, die den entsprechenden Wert fernab der Resonanz um ca. zwei Größenordnungen übersteigt. Die Messungen legen zudem die Existenz eines zusätzlichen Zerfallsmechanismus nahe, der auf extrem kurzen Zeitskalen (< 1 ms) stattfindet. Ergebnisse anderer Arbeitsgruppen geben Anlaß zu der Vermutung, dass kohärente Kopplungen zwischen Atomen, Molekülen und dissoziierten Atom-Atom-Paaren hierbei eine entscheidende Rolle spielen. Die Arbeit enthält ferner die Beschreibung und Charakterisierung einer neuen Apparatur, die es erlaubt, Bose-Einstein-Kondensate mit hoher Wiederholrate und hervorragender Reproduzierbarkeit zu erzeugen, unabdingbare Voraussetzungen für die durchgeführten Untersuchungen an Feshbach-Resonanzen in Rubidium 87.
Durch die zunehmend gute Kontrolle einzelner Quantensysteme ist es möglich geworden verschiedene Quantensysteme zu kombinieren und in Wechselwirkung zu bringen. Dadurch entstand das Feld der hybriden Quantensysteme, welches sich in den letzten Jahren stetig weiterentwickelt hat. In dieser Arbeit wird das hybride Quantensystem aus supraleitenden Ringstrukturen und Wolken aus ultrakalten Rubidium-87 Atomen untersucht. Bei geschlossenen Wegen in Supraleitern, wie sie Ringe darstellen, ist der magnetische Fluss durch die umschlossene Fläche in ganzzahligen Vielfachen des magnetischen Flussquants quantisiert. Es wird in dieser Arbeit aufgezeigt, dass ultrakalte Atomwolken im Einflussbereich des supraleitenden Rings durch einzelne Flussquanten beeinflusst werden können. Die verschiedenen Auswirkungen der Flussquanten auf das atomare Ensemble, wie die Fallenfrequenz und damit die Schwerpunktsschwingung der Wolke im Potenzial, ebenso wie die Veränderung des Dichteprofils der Atomwolke und der in der Falle speicherbaren Atomzahl werden demonstriert. Dazu werden Messungen der Atomwolke im Einflussbereich der Flussquanten des Rings durchgeführt und ausgewertet, um experimentell die deutliche Sensitivität der Atomwolke auf einzelne Flussquanten über einen weiten Bereich von mehr als zehn Quanten zu demonstrieren. Zum besseren Verständnis und zur Interpretation der Messdaten werden numerische Berechnungen des Fallenpotenzials durchgeführt und ein Modell für die Dichteverteilung der Atome aufgestellt und mit den Messwerten verglichen. Dies stellt eine Voraussetzung und einen ersten grundlegenden Schritt hin zur Kopplung von Flussquanten und Wolken aus ultrakalten Atomen dar und eröffnet den weiteren Weg zur Übertragung von Zuständen zwischen diesen beiden Quantensystemen.
Ultrakalte Gase dienen seit den Achtzigerjahren der Erforschung neuartiger physikalischer Phänomene, in deren Rahmen zum Beispiel erstmals die Realisierung atomarer Bose-Einstein-Kondensate sowie die quantenentarteter Fermi-Gase gelang. Anfangs konnten diese Zustände ausschließlich mit Alkaliatomen erreicht werden. Erst im vergangenen Jahrzehnt gelang es auch Atome mit komplexerer innerer Struktur zu kondensieren, die teilweise einen von Null verschiedenen elektronischen Bahndrehimpuls im Grundzustand aufweisen, wie etwa die Lanthanoide Erbium und Dysprosium. Ultrakalte Gase aus solchen Atomen lassen sich auf neue Art und Weise mit Laserlicht fern verstimmter Frequenz manipulieren. Weiterhin weisen sie einen starken dipolaren Charakter auf, welcher die Wechselwirkungen im ultrakalten Gas dominiert und damit zu neuen Wechselwirkungsphänomenen führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig eine Bose-Einstein-Kondensat von Erbiumatomen im Potential einer extrem weit von den atomaren Resonanzen verstimmten quasi-elektrostatischen Dipolfalle erzeugt. Zentraler Teil dieser Arbeit war die Realisierung eines effizienten Umladeprozesses aus der magnetooptischen Falle in die quasi-elektrostatischen Dipolfalle, in welcher eine weitere evaporative Kühlung des Bose-Gases bis in den Bereich der Quantenentartung erfolgte. Da sich das Bose-Einstein-Kondensat nur in sehr reinen Ultrahochvakuumatmosphären beobachten lässt, wurde in einem ersten Schritt ein Vakuumsystem konstruiert und aufgebaut, welches aus einer Effusionszelle, einem Zeeman-Kühler und einer Hauptkammer besteht. Mit Hilfe der Effusionszelle wird ein Atomstrahl produziert und nach deren Verlassen, mit Hilfe des Kühlübergangs bei 400,91 nm transversal gekühlt und kollimiert. Longitudinal wird der Atomstrahl mit Hilfe eines Zeeman- Kühlers abgebremst, der ebenfalls den Kühlübergang bei 400,91 nm nutzt. Aus dem Atomstrahl wird eine magnetooptische Falle geladen, die mit Licht der Wellenlänge 582,84 nm betrieben wird. Die in der magnetooptischen Falle gefangenen Atome werden zur weiteren Abkühlung in ein quasi-elektrostatisches Dipolfallenpotential umgeladen, welches durch den fokussierten Laserstrahl eines CO2 -Lasers der Wellen- länge 10,6 μm gebildet wird. Mit Hilfe der darauf folgenden Evaporationsphase konnte die Phasenraumdichte über den kritischen Wert für den Phasenübergang erhöht und die Herausbildung eines Bose-Einstein-Kondensats aus Erbiumatomen beobachtet werden. Das Bose-Einstein-Kondensat beinhaltet etwa 3 · 10^4 Erbiumatome und hat eine Lebensdauer von etwa 8 s. Eine Perspektive der hier gewonnenen Ergebnisse ist die Erzeugung neuartiger Quantenzustände von Materie, sowie zum Beispiel die Untersuchung des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts in extrem starken künstlichen Magnetfeldern induziert durch weit verstimmte optische Raman-Lichtfelder.
Thema dieser Dissertation sind Experimente zum Nachweis einer Efimov-Resonanz im ultrakalten Gemisch atomarer Lithium- und Rubidium-Gase. Für diese Experimente wurde die bestehende Apparatur umfangreich verändert und erweitert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals eine Efimov-Resonanz im Lithium-Rubidium-Gemisch beobachtet werden. Dazu wurde Kollisionsheizen nahe der breiten s-Wellen-Feshbach-Resonanz im Streukanal 7Li |1,1> + 87Rb |1,1> bei einer Magnetfeldstärke von 661G untersucht. Die heteronukleare Efimov-Resonanz zeigt sich durch eine überhöhte Dreikörperrekombinationsrate in der Hochfeldflanke der Feshbach-Resonanz. Zwei weitere Resonanzen wurden mit verbesserter Auflösung untersucht, womit ein neues Modell der Molekülpotentiale der Lithium-Rubidium-Isotopensysteme entwickelt werden konnte. Es liefert für die beobachtete Efimov-Resonanz einen Wert für die Streulänge von −1870(121)a0 Bohrradien. Die Übereinstimmung unterstützt die aktuell diskutierte Vermutung der Van-der-Waals-Universalität des Dreikörperparameters auch für heteronuklare Gemische. In einem zweiten Experiment wurden Radiofrequenzspektren an einem stark wechselwirkenden, fermionischen Lithium-Gas aufgenommen. In der Nähe einer p-Wellen-Feshbach-Resonanz bei 159,15 G konnten quasi-gebundene Moleküle und freie Atome beobachtet werden. Die Bindungsenergie konnte durch Radiofrequenzassoziation direkt gemessen werden.
Thema der vorliegenden Arbeit ist die Bose-Einstein-Kondensation stark verdünnter atomarer Gase. Nach einer Einführung in die Theorie solcher schwach wechselwirkender Quantengase und einer Zusammenfassung wesentlicher experimenteller Ergebnisse aus dem Gebiet der Bose-Einstein-Kondensation wird zunächst die Physik ultrakalter, in Atomfallen gefangener Fermigase diskutiert. Dieses Gebiet hat sich in den letzten Jahren parallel zu dem der kondensierten Bosegase stark entwickelt und bietet vielversprechende Möglichkeiten, Modelle wie die BCS-Theorie erstmals in fast idealen Fermigasen zu untersuchen. Es werden Ergebnisse zu den thermodynamischen Eigenschaften solcher Gase vorgestellt, die vor allem für mesoskopische Teilchenzahlen (unter 1000) relevant sind. Dabei wird insbesondere auf Schaleneffekte bei der Dichteverteilung in einer Atomfalle und bei der Wärmekapazität eingegangen. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Physik von Atomlasern diskutiert. Als "Atomlaser" bezeichnet man Systeme, die in der Lage sind, kohärente Materiewellen aus Atomen zu erzeugen. Die einem Bose-Einstein-Kondensat inhärente Kohärenz wird in Experimenten genutzt, um mittels eines kohärent arbeitenden Auskoppelmechanismus solche Atomstrahlen herzustellen. Die zugehörige Physik wird durch die so genannte Gross-Pitaevskii-Gleichung beschrieben, einer Art nichtlinearen Schrödingergleichung für die Wellenfunktionen der beteiligten Hyperfeinzustände des Bose-Einstein-Kondensats aus 87Rb-Atomen. In der vorliegenden Arbeit wurden unter anderem die Auskoppelstärke mittels analytischer und vor allem numerischer Methoden untersucht. Darüber hinaus konnten Aussagen über das zeitliche Verhalten von Atomlasern gewonnen, die mit zwei Radiofrequenzen betrieben werden. In diesem Fall wird der Atomstrahl aus zwei interferierenden Materiewellen verschiedener Energie gebildet, sodass kohärente, atomare Pulse mit makroskopischen Dimensionen auftreten. Im letzten Abschnitt wird mit der Spurafluidität ein weiterer, sehr interessanter Aspekt von kondensierten Bosegasen behandelt. Nach einer Einführung in die Bestimmung quantenstatistischer Eigenschaften von Vielteilchensystemem mithilfe von Pfadintegral-Monte-Carlo-Verfahren wird der suprafluide Anteil eines kondensierten Bosegases mit verschiedenen Approximationen berechnet. Dazu wird neben den Pfadintegralen eine auf so genannten Permutationszykeln beruhende Methode eingesetzt, mit der man die Zustandssumme von Bosonen im kanonischen Ensemble und damit auch viele andere Größen ausrechnen kann. Auf diese Weise konnte der suprafluide Anteil eines idealen Bosegases im kanonischen Ensemble erstmals vollständig quantenmechanisch exakt ermittelt werden.