Im Rahmen dieser Arbeit wurden Experimente mit kalten thermischen Lithium-7-Atomen in miniaturisierten Fallen und Leitern durchgeführt. Die fallenerzeugenden geladenen und stromdurchflossenen Strukturen auf dem Atomchip sind bis zu 1 µm klein. Damit konnten Magnetfallen erzeugt werden, die sehr stark komprimiert sind (60 kG/cm), große Abstände der Energieniveaus aufweisen (etwa h*200 kHz) und extrem genau lokalisiert sind. Zum ersten Mal wurde ein magnetischer richtungsunabhängiger Atomleiter mit hohen Krümmungen auf dem Atomchip demonstriert. Monte-Carlo Simulationen zur Ausbreitung von Atomen in einem solchen Atomleiter stimmen sehr genau mit den experimentellen Daten überein. Erstmalig wurden Atomfallen aus kombinierten elektrischen und magnetischen Potentialen erzeugt. Mit diesen wurde ein kontrollierter Transport und ein Aufspalten und wieder Vereinen einer Atomwolke ermöglicht. Die getesteten Fallen und Leiter können u.a. zur Erzeugung symmetrischer Materiewelleninterferometer, stark anisotroper Fallen und zustandsabhängiger Fallen eingesetzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Experimente mit kalten thermischen Lithium-7-Atomen in miniaturisierten Fallen und Leitern durchgeführt. Die fallenerzeugenden geladenen und stromdurchflossenen Strukturen auf dem Atomchip sind bis zu 1 µm klein. Damit konnten Magnetfallen erzeugt werden, die sehr stark komprimiert sind (60 kG/cm), große Abstände der Energieniveaus aufweisen (etwa h*200 kHz) und extrem genau lokalisiert sind. Zum ersten Mal wurde ein magnetischer richtungsunabhängiger Atomleiter mit hohen Krümmungen auf dem Atomchip demonstriert. Monte-Carlo Simulationen zur Ausbreitung von Atomen in einem solchen Atomleiter stimmen sehr genau mit den experimentellen Daten überein. Erstmalig wurden Atomfallen aus kombinierten elektrischen und magnetischen Potentialen erzeugt. Mit diesen wurde ein kontrollierter Transport und ein Aufspalten und wieder Vereinen einer Atomwolke ermöglicht. Die getesteten Fallen und Leiter können u.a. zur Erzeugung symmetrischer Materiewelleninterferometer, stark anisotroper Fallen und zustandsabhängiger Fallen eingesetzt werden.
In der vorliegenden Arbeit wird die erstmalige Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats in einer Mikrochip-Falle beschrieben; dies ist eine Magnetfalle für Neutralatome, die mithilfe stromführender Leiterbahnen auf einem Chipsubstrat gebildet wird. Die Eigenschaften dieser Chipfallen, speziell die hohen Magnetfeldgradienten und -krümmungen, haben es ermöglicht, die Bose-Einstein-Kondensation in weniger als einer Sekunde Verdampfungskühlzeit zu erreichen, was rund eine Größenordnung schneller als in bisher verwendeten Magnetfallen ist und ein Faktor drei schneller als auf dem bisher schnellsten Weg in einer optischen Dipolfalle. Damit verbunden sind die Ansprüche an den experimentellen Aufbau, insbesondere das Vakuumsystem und den Laseraufbau, deutlich gesunken. Weiterhin wird der zerstörungsfreie Transport des Bose-Einstein-Kondensats entlang der Chipoberfläche über makroskopische Distanzen demonstriert wie auch erstmalig die Aufspaltung eines Kondensates in zwei getrennte Kondensate mit rein magnetischen Mitteln. Diese Resultate, nämlich kohärente Materie in einem integrierten atomoptischen System manipulieren zu können, lassen hoffen, daß in naher Zukunft Anwendungen wie Atominterferometrie, Untersuchungen zu niederdimensionalen Quantengasen und Quanteninformationsverarbeitung "on-chip" verwirklicht werden können.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde der Grundstein gelegt für die Integration mikrooptischer Elements auf Atomchips. Dies beinhaltete theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Möglichkeit der Detektion einzelner Atome mit Hilfe von optischen Resonatoren niedriger Güte. Hierfür wurde ein theoretisches Model zur Beschreibung des gekoppelten Systems Atom-Resonator entwickelt. Angewandt auf einen optischen Faserresonator auf dem Atomchip, sagt dieses Model das Erreichen eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses von über 30 für die Einzelatomdetektion voraus, für Meßintervalle von 10µs. Des weiteren wurde ein Experiment mit kalten Rubidium Atomen aufgebaut, das den ersten Atomchip mit integriertem Faserresonator aufnehmen wird. Eine Serie von Experimenten mit einem makroskopischen Testresonator, der in seinen Eigenschaften einem Faserresonantor gleicht, wurde durchgeführt. Indem man den Resonator sehr nah am konzentrischen Punkt betreibt, kann dessen Fokusbreite auf 12µm reduziert werden, bei einer Finesse von 1200. Diese Parameter liegen in der gleichen Größenordnung wie die eines Faserresonators. Experimente mit Atomen, die frei durch den Resonator fallen oder mit Hilfe eines magnetischen Leiters hindurchgeführt werden, bestätigten die Voraussagen der Theorie bezüglich des Einflusses der Atome auf das Resonatortransmissionssignal.
Der Einsatz mikrostrukturierter Systeme zur Manipulation von kalten Atomen ist eines der aktivsten Forschungsgebiete in der Atomphysik und Quantenoptik.Exemplarisch werden in der vorliegenden Arbeit Einsatzmöglichkeiten mikrooptischer Elemente in der Quanteninformationsverarbeitung und in der Atomoptik experimentell präsentiert.Besondere Beachtung finden dabei auch Untersuchungen zum Kohärenzerhalt in optischen Mikropotentialen und die Entwicklung optischer Speicherfelder mit speziellen vom Spinzustand der gefangenen Atome abhängigen Eigenschaften.In einem breiten Spektrum physikalischer Systeme aus unterschiedlichsten Forschungsgebieten werden derzeit grundlegende Fragestellungen, sowie physikalische Umsetzungen zur Quanteninformationsverarbeitung entwickelt und untersucht.In dieser Arbeit wird die experimentelle Realisierung neuartiger Register für atomare Qubits, basierend auf mikrooptischen Elementen, demonstriert: Neutrale Atome werden in einem ein-bzw.zweidimensionalen Array aus weit verstimmten Dipolfallen, erzeugt durch Fokussierung eines einzelnen Laserstrahls mit einem Array sphärischer Mikrolinsen, gefangen.Aufgrund der großen lateralen Abstände von 125 µm der Fallen zueinander können die einzelnen Fallen ortsaufgelöst adressiert werden.Das Initialisieren und Auslesen der internen Zustände einzelner Fallen konnte demonstriert werden.Als zweiter Schwerpunkt wird der Einsatz mikrooptischer Systeme in der Materiewellenoptik mit geführten Atomen untersucht.Aufgrund der hohen intrinsischen Sensitivität müssen Atominterferometer robust gegenüber störenden Umwelteinflüssen konzipiert werden.Im Rahmen dieser Arbeit werden Interferometerstrukturen für geführte neutrale Atome, die auf mikrostrukturierten optischen Systemen beruhen, experimentell demonstriert.Hierbei wird als ein zentrales Element eine Vielfachrealisierung von Linienleitern benutzt, die durch Fokussieren eines rot-verstimmten Laserstrahls mit einem Array von zylindrischen Mikrolinsen erzeugt werden.Durch Kombination zweier Mikrolinsenarrays können Strahlteiler aber auch komplexere Systeme, wie die Geometrien von Mach-Zehnder-und Michelson-Interferometern für geführte neutrale Atome erzeugt werden.Zudem konnte ein zustandsselektiver Strahlteiler experimentell demonstriert werden.Numerische Simulationen der atomaren Wellendynamik sagen die Kohärenz der adiabatischen Entwicklung des atomaren Wellenpaketes während der Teilungsprozesse voraus.Das Verständnis der Kohärenzeigenschaften externer atomarer Bewegungszustände in optischen Dipolpotentialen ist eine wesentliche Voraussetzung für die Anwendung der hier untersuchten Systeme zur Quanteninformationsverarbeitung und zur Atominterferometrie. Diese Kohärenzeigenschaften wurden in optischen Mikropotentialen, realisiert durch ein optisches Gitter, untersucht und die Ergebnisse für die hier entwickelten Strukturen diskutiert.Anknüpfend an die Untersuchungen zur Quanteninformationsverarbeitung und Atominterferometrie konnte eine optische Falle realisiert werden, die nur Atome in bestimmten Zeeman-Niveaus speichern kann.In dieser spinselektiven Falle konnte ein effizient spinpolarisiertes atomares Ensemble erzeugt werden.Ein solches System kann neben vielen Anwendungen zu Präzisionsexperimenten auch in der Quanteninformationsverarbeitung und in der Atominterferometrie eingesetzt werden.Zusätzlich eignet sich dieser Fallentyp aufgrund seiner Spinselektivität zum evaporativen Kühlen bei gleichbleibenden Fallenfrequenzen und hoher Anfangsphasenraumdichte.
Zusammenfassung Innerhalb der modernen Atomphysik hat sich die Atomoptik als ein zentrales Forschungsfeld etabliert.Insbesondere die Atomlithographie, die eine der bedeutendsten Anwendungen der Atomoptik ist, und atomare Leiterstrukturen nehmen dabei eine herausragende Stellung ein.Während alle bisherigen Experimente auf dem Gebiet der Atomlithographie stets mit thermischen Atomstrahlen durchgeführt wurden, demonstriert die vorliegende Arbeit den erstmaligen Einsatz eines abgebremsten Atomstrahles für die Atomlithographie, woraus sich für dieses Verfahren innovative Perspektiven ergeben.Darüber hinaus befaßt sich diese Arbeit auch mit der Entwicklung magnetischer Leiterstrukturen, die sich als ein flexibles neues atomoptisches Element zur Manipulation langsamer Strahlen erweisen.Im Rahmen des Forschungsschwerpunktes Atomlithographie wurden sowohl verschiedenartige Resists für Ne* als auch der Einsatz von Lichtkräften zur Nanostrukturierung charakterisiert und bewertet.Zwei der untersuchten Resists stammten dabei aus dem Gebiet der SAMs (self-assembled monolayers).Hier konnte experimentell gezeigt werden, daß SAM-Schichten, die von Dodecanthiol-Molekülen bzw.von Octadecyltrichlorsilan-Molekülen (OTS) gebildet werden, durch Bestrahlung mit Ne* in geeigneter Weise verändert werden können.Im Falle des OTS gelang es sogar mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM), erstmalig in der Atomlithographie mit metastabilen Edelgasen einen direkten Topographiekontrast ohne jeglichen Ätzprozeß festzustellen.Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Schädigung, die SAM-Schichten bei Bestrahlung mit Ne* erfahren.Weiterhin konnte auch die durch Ne* induzierte Abscheidung von Hintergrundgasmolekülen benutzt werden, um Ätzmasken zu erzeugen und damit Oberflächen zu strukturieren.Als Prototyp für ein atomoptisches Element, mit dem eine Fokussierung des Atomstrahles bis in den Nanometerbereich möglich ist, wurde eine optische Stehwelle untersucht.Zur theoretischen Simulation wurden sowohl klassische Trajektorienrechnungen als auch eine quantenmechanische Wellenpropagation benutzt.Schwierigkeiten, die sich bei der Fokussierung speziell eines langsamen Strahles ergaben, konnten durch die Entwicklung eines Verfahrens umgangen werden, welches zusätzlich zum Fokussieren auch einen Umpumpprozeß zwischen inneren Zuständen der Atome ("Quenching") verwendet.Die erfolgreiche Lokalisation von Atomen im Inneren einer solchen Stehwelle konnte experimentell sowohl indirekt mit Hilfe eines MCP-Detektors als auch direkt mit Hilfe der Atomlithographie nachgewiesen werden.Als neues und flexibles atomoptisches Element für langsame Atomstrahlen, welches sowohl für die Atomlithographie als auch für viele Grundlagenexperimente zukunftsweisend ist, wurden magnetische Leiterstrukturen entwickelt, eingesetzt und charakterisiert.Die zum Führen des Atomstrahles benutzten Magnetfelder wurden dabei durch stromdurchflossene Leiter erzeugt.Hiermit gelang es u.a., den Atomstrahl entlang eines s-kurvenförmigen Verlaufes mit Kurvenradien von 45 cm zu führen.Schließlich wurde auch eine Miniaturisierung solcher Leiter in Form von lithographisch auf einer Chipoberfläche aufgebrachten elektrischen Leiterbahnen demonstriert.Dies stellt einen ersten Schritt auf dem Weg zu integrierten atomoptischen Elementen dar, bei denen alle Komponenten eines Experimentes auf einem einzigen Chip integriert werden.Die vorliegende Arbeit dokumentiert damit nicht nur innovative Verfahren zur Nanostrukturierung von Oberflächen, sondern zeigt zudem auch zukünftige Wege für eine integrierte und kohärente Atomoptik mit weitreichenden Anwendungsgebieten auf.
Die Entwicklung der Methoden zur Laserkühlung von Atomen hat in den letzten 15 Jahren vielfältige wissenschaftliche Fortschritte erzielt. Ein sich dabei in den letzten Jahren neu entwickelndes Feld ist die Kombination der Laserkühlung mit der zustandsselektiven Anregung von Atomen in Rydberg-Zustände. Ein solches System wird als "gefrorenes Rydberg-Gas" bezeichnet. Dieser Name reflektiert die Tatsache, dass die Experimente mit diesen gekühlten Atomen auf einer Zeitskala ablaufen, auf der die thermische Bewegung zu vernachlässigen ist und nur die Wechselwirkung der Atome untereinander relevant ist. Gelingt es, solche kalten Rydberg-Atome in periodischen Potentialen zu speichern, so ergeben sich Möglichkeiten, dieses System für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) zu nutzen. Zur Untersuchung solcher Systeme wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau konzipiert und realisiert. Die dazu aufgebaute Apparatur wurde charakterisiert, indem Untersuchungen zur Laserkühlung von aus einem Dispenser emittierten 87Rb-Atomen in einer magneto-optischen Falle (MOT) durchgeführt wurden. Die hierbei gekühlten Atome wurden anschließend in eine Magnetfalle in Drahtfallengeometrie transferiert und konnten dort magnetisch gespeichert werden. Zur Speicherung von ultrakalten Atomensembles in periodischen Strukturen wurden die Möglichkeiten untersucht, aus periodisch angeordneten stromtragenden Leitern ein Gitter von zwei Magnetfallentypen (Quadrupol- und Ioffe-Pritchard-Fallen) zu konstruieren. Hierzu wurden aufbauend auf einzelnen Segmenten die Möglichkeiten der Konstruktion von Gittern untersucht. Diese Gitter erlauben es, drei verschiedene Grundkonfigurationen von Fallen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufzubauen, die theoretisch erläutert werden. Dabei wird auch eine experimentelle Realisierung solcher Gitter mit Quadrupol-Fallen vorgestellt. Hierbei wurde ein Gitter von 4 MOTs experimentell realisiert und untersucht. Im letzten Teil der Arbeit werden Experimente zur 2-Photonen Rydberg-Anregung und hochauflösenden Rydberg-Spektroskopie von 87Rb-Atomen vorgestellt. Hierbei wird zunächst das verwendete Anregungs- und Detektionsschema der Atome erläutert, gefolgt von Untersuchungen zur Stabilität und Leistungsfähigkeit des Lasersytems zur Rydberg-Anregung. Hierzu wurden hochauflösende Spektren in der Umgebung der beiden 41D-Feinstrukturzustände von 87Rb in Abhängigkeit vom elektrischen Feld aufgenommen und die feldabhängige Aufspaltung der Zustände untersucht. Zur Realisierung der erläuterten Schemata zur QIV ist es nötig, einzelne oder Ensembles von Atomen gezielt orts- und zustandsselektiv in Rydberg-Zustände anregen zu können. Erste Demonstrationsexperimente hierzu werden präsentiert. Abschließend wird über die Messung der Rabifrequenz durch Untersuchung der Autler-Townes-Aufspaltung des an das Lichtfeld gekoppelten 5S1/2->5P3/2-Übergangs berichtet.
Diese Arbeit hat zum Ziel, auf der Grundlage ausführlicher Simulationsrechnungen eine zweidimensionale Falle für neutrale Atome basierend auf elektrischen Wechselfeldern aufzubauen und das Fallenprinzip an kalten metastabilen Heliumatomen bzw. Rubidiumatomen zu demonstrieren. Mit dieser Art von Atomfallen ist geplant, gezielt Stöße ultrakalter neutraler Atome zu untersuchen. Diese sollten unabhängig von äußeren Feldern vor dem Stoß präpariert werden können, um Stoßquerschnitte in Abhängigkeit von der Spinausrichtung der Atome bestimmen zu können. Das eigentliche Element, an dem diese Untersuchungen durchgeführt werden sollen, ist das metastabile Heliumatom. Der Einfluß der elektrischen Felder auf neutrale Atome wird allerdings zu Testzwecken des Fallenaufbaus und der eingesetzten Hochspannungsschalter in Experimenten am Element Rubidium durchgeführt. Die experimentellen Voraussetzungen für die Speicherung neutraler Atome in elektrischen Feldern, das Bereitstellen ausreichend kalter Teilchenensemble, ist durch den Aufbau und Betrieb von magneto-optischen Fallen für metastabiles Helium und Rubidium gegeben. Die in der Arbeit vorgestellte elektrische Falle wird zuerst theoretisch behandelt. Die Bewegungsgleichungen für neutrale Atome in elektrischen Wechselfeldern werden aufgestellt, woraus sich Aussagen über die Stabilitätsbereiche ableiten lassen. Ebenso kann ein Ausdruck für die Fallentiefe hergeleitet werden. Die maximalen Fallentiefen ergeben sich für He* zu 32MHz bei einer Spannung von +/-15kV und einer Frequenz von 1100Hz und für Rubidium zu 12MHz bei U=+/-9kV und f=150Hz. Anschließende numerische Simulationen zur Speicherung eines kalten Rubidiumensembles zeigen auf, unter welchen Bedingungen eine effiziente Speicherung möglich ist. Als Ergebnis ist festzuhalten, daß bei Spannungen von U_0=+/-9000V bei einer Fallenfrequenz von f=200-250Hz ein Anteil von mehr als 7% der in der MOT gespeicherten Rubidiumatome in die elektrische Falle übertragen werden könnte. Die dabei erreichbaren Fallentiefen betragen 32 - 45µK. Der Einfluß der Gravitation kann durch eine konstante zusätzliche Spannung U_add, die an die oberen Elektroden angelegt wird, ausgeglichen werden. Die für die Realisierung der elektrischen Falle konzipierten Hochspannungsschalter und die eingesetzte Elektrodenstruktur werden detailliert beschrieben. Erste Hinweise auf das zweidimensionale Speichern von Rubidium in elektrischen Wechselfeldern liefern Messungen, die dokumentieren, daß durch den Betrieb der elektrischen Falle über einen Zeitraum von 16ms deutlich mehr Atome nachzuweisen sind, als die freie Expansion der Atomwolke zeigt. Aus den Daten geht hervor, daß mit der elektrischen Falle noch rund 15% der nach 2ms nachgewiesenen Atome vorhanden sind, während nach der selben Zeit, aber mit statischen elektrischen Feldern nur noch rund 5% nachzuweisen sind. Als Fallenparameter dienen dabei die aus den Simulationsrechnungen hervorgehenden Werte für die Spannungen - U_0=+/-9kV, U_add=+800V an den oberen beiden Fallenstäben zum Gravitationsausgleich - bei einer Frequenz von f=250Hz. Das Meßergebnis wird schließlich im Vergleich zu Simulationsergebnissen betrachtet und etwaige Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert. Als Anwendungsmöglichkeit des hier präsentierten Fallenprinzips wird das Konzept eines Speicherrings für neutrale Atome zur Untersuchung ultrakalter Stöße vorgestellt.