Ein optisches Frequenznormal mit kalten und ultrakalten Atomen

G. Wilpers

M. Gierling

H. Jungbluth

C. Degenhardt

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein optisches Calcium-Frequenznormal bei 657 nm erstmals mit ultrakalten Calcium-Atomen (12 µK) realisiert und die Übergangsfrequenz mit Hilfe eines Frequenzkamm-Generators mit der zur Zeit weltweit geringsten Unsicherheit von 1,2 • 10 -14 bestimmt.Bisher maßgebliche Beiträge zur Unsicherheit des Frequenznormals konnten reduziert werden.So konnte durch den Einsatz ultrakalter Atome der Einfluss des Doppler-Effekts auf 1 Hz verringert werden.Durch Verbesserungen der Lasersysteme und durch die Optimierung der Quenchkühlung wurden Ensemble-Dichten von bis zu 4 • 10 10 cm -3 erreicht.Dies ermöglichte es, in Kombination mit dem empfindlicheren Nachweis von Frequenzverschiebungen durch Verwendung eines zustandsselektiven Detektionsschemas, den Beitrag von Stößen zur Unsicherheit auf 0,06 Hz (1,3 • 10 -16 ) zu reduzieren.Eine weitergehende Untersuchung von Stößen mittels Photoassoziations-Spektroskopie erlaubte die Beschränkung der möglichen Werte für die Grundzustands-Streulänge auf das Intervall von 50 a 0 bis 300 a 0 .Erstmals wurden Frequenzverschiebungen durch den zeitlichen Verlauf der Laserphase in den zur Abfrage des Uhrenübergangs benutzten Laserpulsen quantitativ untersucht und korrigiert.Der zweite Teil der Arbeit enthält erste Untersuchungen zur Realisierung einer optischen Gitteruhr mit Calcium-Atomen, die das Potenzial zur Realisierung noch kleinerer Unsicherheiten bietet.Es wurde gezeigt, dass die zur Kühlung der Atome benutzte Methode der Quenchkühlung geeignet ist, die Atome im rein konservativen Potenzial einer optischen Dipolfalle zu akkumulieren.Durch Messungen der Frequenzverschiebung des Uhrenübergangs durch den dynamischen Stark-Effekt konnten die " magischen Wellenlängen" für die Interkombinationsübergänge zum 3 P 1 -Niveau und zum 3 P 0 -Niveau bestimmt werden.

Georg Jacoby

In attraktiven Potenzialschwänzen, die schneller als 1/r2 abfallen, gibt es einen Bereich mittlerer Abstände, in dem Quanteneffekte wichtig sind und klassisch verbotene 'Quantenreflexion' hervorgerufen wird. Diese kann z.B. die Annäherung eines Projektil-Atoms an eine Oberfläche behindern. Für verschwindende Projektilenergie geht die Reflexionswahrscheinlichkeit gegen Eins, so dass Quantenreflexion bei kleinen Energien, wie sie heute in Experimenten mit kalten und ultrakalten Atomen realisiert werden, ein wichtiger meßbarer Effekt ist. Die Dissertation gibt eine detaillierte Analyse der Quantenreflexion und zeigt unter anderem den dominaten Einfluss, den Retardierungseffekte hierauf haben.

S. Levy