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.
Gegenstand dieser Arbeit ist die experimentelle Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats (BEK) mit Helium-4 Atomen. Wegen der elektronischen Struktur des Helium-Atoms müssen die standard Einfangstechniken der neutralen Atomen gegenüber anderer atomaren Spezies angepasst werden, um das Bose-Einstein Kondensat aus Helium zu erzeugen. Helium muss in den metastabilen Zustand angeregt werden, dann wird der Atomstrahl kollimiert und abgebremst. Wir fangen ca. 1e9 Atome in einer magneto-optischen Falle. Um die Atome weiter kühlen zu können, werden sie in eine reine magnetische Falle übertragen. Doppler-Kühlung kühlt die Atome in der Magnetfalle weiter, und erhöht die Phasenraumdichte. Der entartete Quantenzustand wird durch Verdampfungskühlung der Helium Atome erreicht. Der Übergang zum BEK findet bei ca. T_c=1.4 uK statt und meistens erzeugen wir Kondensate mit ein paar 1e6 Atomen. Im Vergleich zu den anderen Atomsorten hat metastabiles Helium eine einzigartig hohe interne Energie (19.8 eV), die für eine Detektion von einzelnen Atomen ausgenutzt werden kann. Ein Detektor, der diese hohe Energie ausnutzt, besteht aus Mikrokanalplatte in Kombination mit einer Verzögerungsleitung. Wir haben einen solchen Detektor in unserer Vakuumkammer erfolgreich eingebaut, und haben damit die Atomwolke charakterisiert. Der Detektor kann die Atome mit hoher Effizienz aufzeichnen und im Vergleich zu anderen Helium Experimenten hat er die höchste Auflösung. Bestehend aus vier Quadranten mit unabhängiger Ausleseelektronik, die die Aufzeichnung von gleichzeitgen Ereignissen ermöglichen, ist der Detektor besonders für Experimente, die analog zum Feld von Quantenoptik realisiert werden, geeignet. Ein Musterbeispiel ist die Erzeugung von verschränkten Teilchen im Impuls Freiheitsgrad. Der vorgestellte experimentelle Vorgang in dieser Dissertation stellt einen wichtigen Schritt in der Herstellung von Impulsverschränkten Atomen dar. Dieser Aufbau wird den Weg für Materiewellen Experimente, die die Besonderheiten der Quantenkorrelationen ausnutzen, bahnen. Wir erwarten, dass unserer Aufbau eine direkte Demonstration von Impulsverschränkung im Sinne des Gedankenexperiments von Einstein, Podolski und Rosen ermöglicht.
Bevor wir uns mit dem Verhalten komplizierter Atome auseinandersetzen, müssen wir uns noch mit den Eigenschaften der Lichtquanten und dem Emissionsprozeß befassen. Dann können wir die charakteristischen Auswahlregeln verstehen, die bei den Spektral-übergangen gelten. Eine tiefergehende theoretische Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Atomen und Quanten würde wiederum die Hilfsmittel der Quantenelektrodynamik erfordern, auf die wir hier verzichten müssen. Wir wollen uns daher in diesem und dem nächsten Abschnitt vor allem an die experimentellen Befunde halten, um die wichtigsten Eigenschaften der Lichtquanten kennenzulernen. In Abschn. 6.3 folgt dann eine quantenmechanische Behandlung des Emissionsprozesses für Dipolstrahlung. Wir greifen jetzt zunächst der späteren Behandlung von Mehrelektronenatomen etwas vor und werfen einen Blick auf das Termschema des Lithiums, das wir qualitativ sofort verstehen können (Fig. 52). Im Prinzip ist es dem des Wasserstoffs sehr ähnlich. Während jedoch beim Wasserstoff, abgesehen von der sehr kleinen Feinstruktur, alle Niveaus zur gleichen Hauptquantenzahl n entartet sind (Fig. 28) — wie wir gesehen haben als Folge des reinen Coulomb-Potentials — ist dies bei Lithium nicht mehr der Fall. Wir können das Termschema folgendermaßen verstehen. Der ls-Zustand ist mit 2 Elektronen von antiparallelem Spin besetzt. Diese Konfiguration erfordert zum Aufbruch eine große Energie. Daher ist fir das Spektrum nur das dritte, äußere Elektron verantwortlich, das sich im 2s-Zustand befindet.