Ein Bose-Einstein Kondensat mit Rubidium-87-Atomen im Zustand |F=2,mF=2> wird in einer "Z"-förmigen magnetischen Drahtfalle erzeugt. Die Falle ist eine einfachere und robuste Variante einer Ioffe-Pritchard Falle. Die Drahtfalle ermöglicht die magnetische Speicherung und Kompression von Atomwolken in direkter Nähe einer Oberfläche. Bei einer kritischen Temperatur von etwa 900 nK tritt die Kond4ensation der Rubidiumatome in den Grundzustand der Falle ein. Es können Kondensate mit bis zu 300000 Atomen erzeugt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Doppel-MOT Vakuumapparatur aufgebaut, welche eine hohe Anzahl von Atomen mit langen Speicherzeiten in der Magnetfalle ermöglicht. Die Drahtfalle ist in kompakter Weise mit weiteren von planen Leiterstrukturen erzeugten Mikrofallen kombiniert. Dieses erlaubt eine extreme Flexibilität im Design von Drahtmagnetfallen. Das Kondensat wird als kohärente Atomquelle in nun folgenden Experimenten in oberflächenbasierten magnetischen Mikrofallen neue Möglichkeiten in der komplexen Manipulation von Atomen erschließen.
Ein Bose-Einstein Kondensat mit Rubidium-87-Atomen im Zustand |F=2,mF=2> wird in einer "Z"-förmigen magnetischen Drahtfalle erzeugt. Die Falle ist eine einfachere und robuste Variante einer Ioffe-Pritchard Falle. Die Drahtfalle ermöglicht die magnetische Speicherung und Kompression von Atomwolken in direkter Nähe einer Oberfläche. Bei einer kritischen Temperatur von etwa 900 nK tritt die Kond4ensation der Rubidiumatome in den Grundzustand der Falle ein. Es können Kondensate mit bis zu 300000 Atomen erzeugt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Doppel-MOT Vakuumapparatur aufgebaut, welche eine hohe Anzahl von Atomen mit langen Speicherzeiten in der Magnetfalle ermöglicht. Die Drahtfalle ist in kompakter Weise mit weiteren von planen Leiterstrukturen erzeugten Mikrofallen kombiniert. Dieses erlaubt eine extreme Flexibilität im Design von Drahtmagnetfallen. Das Kondensat wird als kohärente Atomquelle in nun folgenden Experimenten in oberflächenbasierten magnetischen Mikrofallen neue Möglichkeiten in der komplexen Manipulation von Atomen erschließen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats mit Rubidium-Atomen in einer stark anisotropen Fallengeometrie konzipiert und im Labor realisiert. Die Bose-Einstein-Kondensation von verdünnten atomaren Gasen wird durch verschiedene Einfang- und Kühlmethoden erreicht. Abweichend von bisherigen Experimenten wurden hier bei den einzelnen experimentellen Stufen zum Teil neue Wege begangen: Ausgehend von der Dampfphase bei Raumtemperatur wird ein intensiver Strahl kalter Atome mittels zweidimensionaler magnetooptischer Kühlung erzeugt. Dieser ermöglicht es, eine großvolumige magnetooptische Atomfalle mit einer hohen Atomzahl zu laden. Mit der hohen optischen Dichte geht zwar eine geringe Kühleffizienz einher, was jedoch durch einen speziellen Kühlschritt, eine verstimmte magnetooptische Fallen-Phase, behoben wird, um Temperaturen im Bereich der Polarisationsgradientenkühlung zu erreichen. Das so präparierte Atomensemble wird in einer Magnetfalle durch Verdampfungskühlung in ein Bose-Einstein-Kondensat überführt. Hierbei wirkt sich besonders die anisotrope Fallengeometrie auf die Effizienz des letzten Kühlschritts aus. Die hier realisierte Apparatur erlaubt es, in das quasi-eindimensionale Regime entarteter Quantengase mit einer gut detektierbaren Atomzahl vorzudringen. Ein analytisches Modell rundet die theoretische Beschreibung der zweidimensionalen magnetooptischen Kühlung ab. Darüberhinaus werden erste Experimente von Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Gittern vorgestellt und der Einfluss von interatomarer Wechselwirkung aufgrund von s-Wellen-Streuung auf die Materiewellenbeugung an optischen Stehwellen diskutiert.
Aufgrund der vielfältigen Manipulationsmöglichkeiten von atomaren Systemen mit Lichtfeldern ist die Präparation und Untersuchung von kalten Atomen und Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Potentialen ein interessantes und aktives Forschungsgebiet.In vielen Experimenten wird ein Bose-Einstein-Kondensat zunächst durch evaporative Kühlung in einer Magnetfalle erzeugt und dann in ein optisches Potential umgeladen.Häug ist es aber wünschenswert, das Bose-Einstein-Kondensat direkt in einem optischen Potential zu erzeugen, so dass auf den Einsatz einer Magnetfalle komplett verzichtet werden kann.Dies ist die zentrale Motivation für die hier beschriebenen Experimente.Mehreren Arbeitsgruppen ist es bereits gelungen, Quantenentartung durch evaporatives Kühlen in einer CO 2 -Laser Dipolfalle zu erzeugen.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zur evaporativen Kühlung von 87 Rb-Atomen in einer Dipolfalle, die mit einem technisch wesentlich einfacher handhabbaren Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1030 nm erzeugt wird.Aufgrund seiner Wellenlänge hat ein Laser dieser Art im Vergleich zu einem CO 2 -Laser den Vorteil, dass für den optischen Aufbau der Dipolfalle optische Standardkomponenten benutzt werden können.Ausgangspunkt für diese Experimente stellte eine bereits für frühere Experimente verwendete Apparatur zur Erzeugung kalter Ensembles von 85 Rb dar.Da es aufgrund der attraktiven Wechselwirkung sehr schwierig ist, ein Bose-Einstein-Kondensat aus 85 Rb-Atomen zu erzeugen, wurde das Experiment für die Verwendung von 87 Rb umgebaut.Mit dem neuen Aufbau ist es nun möglich, bis zu 10 9 87 Rb-Atome in der magneto-optischen Falle zu fangen.Es wurde ein Dipolfallenaufbau realisiert, der es ermöglicht sowohl Einzelstrahldipolfallen als auch gekreuzte Dipolfallen zu erzeugen.Die Atome werden direkt aus einer magneto-optischen Falle in die Dipolfalle geladen.Da es für eine eziente evaporative Kühlung essentiell ist mit einer hohen Anfangsteilchendichte zu starten, wurde das Ladeverhalten der Dipolfalle detailliert untersucht und optimiert.Es konnten bis zu 150.000Atome in eine gekreuzte Dipolfalle geladen werden.Neben einer Optimierung des Umladeprozesses ist auch eine Optimierung der Fallengeometrie für die evaporative Kühlung notwendig.Daher wurden Dipolfallen mit verschiedenen Fokusgröÿen des Dipolfallenstrahls untersucht und das atomare Ensemble in der Dipolfalle wurde durch Herunterrampen der Leistung des Fallenlasers evaporativ gekühlt.Die bisher besten Ergebnisse konnten in einer gekreuzten Dipolfalle mit einer Fokusgröÿe von etwa 40 µm erreicht werden.Ausgehend von einer Phasenraumdichte von etwa 2 × 10 -4 und einer Temperatur von 60 µK konnten durch die evaporative Kühlung Temperaturen unterhalb von 200 nK bei einer Phasenraumdichte von etwa 0,2 erreicht werden.Die Teilchenzahl reduzierte sich dabei von etwa 60.000 auf etwa 3.500.
In der vorliegenden Arbeit wird über die erstmalige kontinuierliche Auskopplung von Atomen aus einem atomaren Bose-Einstein-Kondensat berichtet. Es wurde so eine kohärente Strahlquelle für Materiewellen entwickelt, die aufgrund ihrer Analogie zu der Erzeugung von Licht in einem Laser als Atomlaser bezeichnet wird. In einer neu entwickelten magnetischen Ioffe-Falle mit einem äußerst stabilen Fallenpotential wurden dazu Bose-Einstein- Kondensate aus 87Rb Atomen erzeugt. Mit Hilfe von kontinuierlich eingestrahlten Radiofrequenzwellen konnte das gefangene kohärente Materiefeld eines Bose-Einstein-Kondensats lokal an die frei propagierenden Eigenzustände des Gravitationspotentials angekoppelt werden. Es wurde außerdem gezeigt, daß mit Hilfe dieser Meßmethode eine räumliche Spektroskopie und Manipulation der Kondensatwellenfunktion auf einer µm-Skala möglich ist. Mit dem Atomlaser wurden fundamentale Kohärenzeigenschaften eines Bose-Gases am Phasenübergang zur Bose-Einstein-Kondensation untersucht. Aus zwei Raumbereichen des gefangenen atomaren Gases wurden dazuMateriewellen ausgekoppelt und zur Überlagerung gebracht. Sind die von den beiden Raumbereichen ausgesandten Materiewellen phasenkohärent, so ergibt sich ein Materiewellen-Interferenzmuster. Aus dem Kontrast des Interferenzsignals konnten die Kohärenzeigenschaften des gefangenen Gases quantitativ bestimmt werden. Die Meßmethode läßt sich dabei in einer weitgehenden Analogie zu der räumlichen Kohärenzmessung von Licht in einem Doppelspalt-Experiment verstehen. In der Mitte des letzten Jahrhunderts wurde in der Theorie erkannt, daß die fundamentale Eigenschaft makroskopischer Quantenphänomene wie z. B. der Suprafluidität oder der Supraleitung eine langreichweitige Phasenkohärenz in den zugrundeliegenden Quantenfeldern ist. Nahezu 50 Jahre nach dieser Erkenntnis wurden die dramatischen Änderungen in den Kohärenzeigenschaften eines makroskopischen Quantensystems am Phasenübergang hier erstmals in einem Experiment quantitativ nachgewiesen. Für die zukünftige Anwendbarkeit des Atomlasers sind kohärenzerhaltende atomoptische Elemente wichtige Grundbausteine. Im letzten Teil der Arbeit werden neuere Messungen vorgestellt, bei denen mit Hilfe von Hyperfein-Raman-Übergängen in einem magnetischen Fallenpotential ein Spiegel, ein Strahlteiler und ein Resonator für den Atomlaser entwickelt wurden.
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.
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.
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.