Atominterferometer erlauben es, Beschleunigungen mit bisher nicht erreichter Präzision zu messen. Anwendungen in der Grundlagenforschung beinhalten Gravitationswellendetektoren, die Bestimmung von Naturkonstanten oder Tests des schwachen Äquivalenzprinzips. Die Sensitivität eines Sensors für Tests des schwachen Äquivalenzprinzips skaliert quadratisch mit der Zeit der freien Entwicklung der Atome während der Interferometersequenz. Durch die Verwendung von Bose-Einstein-Kondensaten mit stark reduzierter Ausdehnungsgeschwindigkeit sowie dem Betrieb in Schwerelosigkeit kann die Sensitivität um Größenordnungen verbessert werden. Das QUANTUS-2 Experiment stellt die zweite Generation eines mobilen Atominterferometers dar, welches am Fallturm in Bremen zum Einsatz kommt und dient als Wegbereiter für zukünftige Experimente mit kalten Atomen auf Satelliten. Durch differentielle Messung der Beschleunigung von Rubidium und Kalium mit Hilfe der Atominterferometrie soll das schwache Äquivalenzprinzip getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das auf mikro-integrierten Diodenlasern sowie einer kompakten Elektronik basierende Rubidiumlasersystem aufgebaut und qualifiziert. Nach erfolgter Integration in die QUANTUS-2 Kapsel, wurden über 200 Abwürfe und Katapultflüge am Fallturm absolviert. Diese demonstrieren die Robustheit des Experimentes unter Beschleunigungen von bis zu 43 g während eines Katapultfluges. Die Dynamik des Kondensates wurde in Schwerelosigkeit untersucht und die Ausbreitungsgeschwindigkeit in allen drei Raumrichtungen mit Hilfe einer magnetischen Linse verringert. Die dabei erreichten Ausbreitungsgeschwindigkeiten entsprechen effektiven Temperaturen von unter 120 pK eines thermischen Ensembles. Dieser stellt den niedrigsten in allen drei Raumrichtungen erreichten Wert dar. Die gezeigten Ergebnisse demonstrieren somit die Verfügbarkeit wichtiger Schlüsselkonzepte zukünftiger hochpräziser Quantensensoren auf Satelliten.
Atominterferometer erlauben es, Beschleunigungen mit bisher nicht erreichter Präzision zu messen. Anwendungen in der Grundlagenforschung beinhalten Gravitationswellendetektoren, die Bestimmung von Naturkonstanten oder Tests des schwachen Äquivalenzprinzips. Die Sensitivität eines Sensors für Tests des schwachen Äquivalenzprinzips skaliert quadratisch mit der Zeit der freien Entwicklung der Atome während der Interferometersequenz. Durch die Verwendung von Bose-Einstein-Kondensaten mit stark reduzierter Ausdehnungsgeschwindigkeit sowie dem Betrieb in Schwerelosigkeit kann die Sensitivität um Größenordnungen verbessert werden. Das QUANTUS-2 Experiment stellt die zweite Generation eines mobilen Atominterferometers dar, welches am Fallturm in Bremen zum Einsatz kommt und dient als Wegbereiter für zukünftige Experimente mit kalten Atomen auf Satelliten. Durch differentielle Messung der Beschleunigung von Rubidium und Kalium mit Hilfe der Atominterferometrie soll das schwache Äquivalenzprinzip getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das auf mikro-integrierten Diodenlasern sowie einer kompakten Elektronik basierende Rubidiumlasersystem aufgebaut und qualifiziert. Nach erfolgter Integration in die QUANTUS-2 Kapsel, wurden über 200 Abwürfe und Katapultflüge am Fallturm absolviert. Diese demonstrieren die Robustheit des Experimentes unter Beschleunigungen von bis zu 43 g während eines Katapultfluges. Die Dynamik des Kondensates wurde in Schwerelosigkeit untersucht und die Ausbreitungsgeschwindigkeit in allen drei Raumrichtungen mit Hilfe einer magnetischen Linse verringert. Die dabei erreichten Ausbreitungsgeschwindigkeiten entsprechen effektiven Temperaturen von unter 120 pK eines thermischen Ensembles. Dieser stellt den niedrigsten in allen drei Raumrichtungen erreichten Wert dar. Die gezeigten Ergebnisse demonstrieren somit die Verfügbarkeit wichtiger Schlüsselkonzepte zukünftiger hochpräziser Quantensensoren auf Satelliten.
Quantensensoren, wie Atominterferometer und Atomuhren werden zu hochpräzisen und akkuraten Messungen von Inertialkräften und der Zeit benutzt und sind hervorragend dazu geeignet fundamentale Fragestellungen der Physik anzugehen und die Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen. Die Empfindlichkeit von Atominterferometern skaliert quadratisch mit der freien Entwicklungszeit und die Verwendung von Quantensensoren im Weltraum ist prädestiniert die Genauigkeit von Tests des Äquivalenzprinzips um mehrere Größenordnungen zu verbessern. Zusätzlich, werden präzise und akkurate Sensoren für Inertialkräfte, im Bereich der Navigation oder Geodäsie benutzt wo mobile auf Atominterferometrie basierende Geräte noch selten sind. Diese Arbeit trägt zur Entwicklung von hochempfindlichen und stabilen mobilen Quantensensoren bei. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden drei mobile Vergleichsmessungen der Erdbeschleunigung mit dem Atominterferometer GAIN an verschiedenen geographischen Orten durchgeführt. Die demonstrierte Stabilität von 5*10^-11 g nach 10^5 s übertrifft die Stabilität von klassischen Gravimetern. Mit dem Ziel von Weltraumgestützten Atominterferometern wurde ein kompaktes Lasersystem für den Betrieb von Atominterferometrie mit Rubidium Bose-Einstein Kondensaten auf Höhenforschungsraketen entworfen, qualifiziert und in Betrieb genommen. Zusätzlich wurden drei Nutzlasten für dein Einsatz auf Höhenforschungsraketen realisiert um die Reife der notwenigen Subsysteme zu zeigen. Dopplerfreie Laserspektroskopie an Rubidium und Kalium wurde verwendet um eine optische Frequenzreferenz zu realisieren und während der Flüge wurde mit einem Frequenzkamm zu vergleichen. Diese Messung stellt einen ersten Test der Lokalen Lorenz Invarianz im Weltraum dar. Diese Aktivitäten ebnen den Weg für den zukünftigen Einsatz von Quantensensoren im Weltraum die noch nie dagewesene Tests der fundamentalen Physik, Weltraumgeodäsie oder sogar Gravitationswellen ermöglichen.
Quantensensoren auf Basis ultra-kalter Atome sind gegenwärtig auf dem Weg ihre klassischen Pendants als Messintrumente sowohl in Präzision als auch in Genauigkeit zu überholen, obwohl ihr Potential noch immer nicht vollständig ausgeschöpft ist. Die Anwendung von Quantensensortechnologie wie Materiewelleninterferometern im Weltraum wird ihre Sensitivität weiter steigen lassen, sodass sie potentiell die genauesten erdbasierten Systeme um mehrere Grössenordnungen übertreffen könnten. Mikrogravitationsplattformen wie Falltürme, Parabelflugzeuge und Höhenforschungsraketen stellen exzellente Testumgebungen für zukünftge atominterferometrische Experimente im Weltraum dar. Andererseits erfordert ihre Nutzung die Entwicklung von Schlüsseltechnologien, die hohe Standards in Bezug auf mechanische und thermische Robustheit, Autonomie, Miniaturisierung und Redundanz erfüllen müssen. In der vorliegenden Arbeit wurden erste Interferometrieexperimente mit degenerieten Quantengasen in Schwerelosigkeit im Rahmen des QUANTUS Projektes durchgeführt. In mehr als 250 Freifall-Experimenten am Bremer Fallturm konnte die Präparation, freie Entwicklung und Phasenkohärenz eines Rubidium Bose- Einstein Kondensates (BEC) auf makroskopischen Zeitskalen von bis zu 2 s untersucht werden. Dazu wurde ein BEC-Interferometer mittels Bragg-Strahlteilern in einen Atomchip-basierten Aufbau implementiert. In Kombination mit dem Verfahren der Delta-Kick Kühlung (DKC) konnte die Expansionsrate der Kondensate weiter reduziert werden, was zur Beobachtung von effektiven Temperaturen im Bereich von 1 nK führte. In einem Interferometer mit asymetrischer Mach-Zehnder Geometrie konnten Interferenzstreifen mit hohem Kontrast bis zu einer Verweildauer von 2T = 677 ms untersucht werden.
Hochpräzise Atominterferometrie mit Bose-Einstein-Kondensaten hat das Potential Tests fundamentaler Physik mit bisher unerreichter Genauigkeit durchzuführen, sowie die Entwicklung neuartiger Sensoren für die Erdbeobachtung zu initiieren. Insbesondere schaffen Messungen mit Atominterferometern im Weltraum den Rahmen für Tests der allgemeinen Relativitätstheorie, der Suche nach dunkler Energie, satellitengestützter Erdbeobachtung und der Detektion von Gravitationswellen in einem auf der Erde nicht erreichbaren Regime. Die technischen Ansprüche einer Weltraummission unterscheiden sich grundlegend von denen eines Laboraufbaus. Neben einer Optimierung bezüglich der Masse, der Leistungsaufnahme und des Volumens muss die Apparatur autonom und wartungsfrei arbeiten, sowie robust gegen Vibrationen und Beschleunigungen während des Aufstiegs und Wiedereintritts in die Atmosphäre sein. Mit der MAIUS-1 Mission ist es am 23.01.2017 zum ersten Mal gelungen Bose- Einstein-Kondensate im Weltraum zu erzeugen. Erstmals wurde eine solche Apparatur an Bord einer Höhenforschungsrakete betrieben und hat Schlüsselmethoden für präzise Materiewelleninterferometrie demonstriert. In den insgesamt 13 Minuten des Parabelfluges befand sich die Nutzlast sechs Minuten lang über bei einer Höhe von 100km unter Mikrogravitationsbedingungen. Während des Starts und Aufstiegs konnten für eine Minute Experimente zum Kühlen und Fangen kalter atomarer Ensembles in dieser hochdynamischen Umgebung durchgeführt werden. In der Mikrogravitationsphase wurde der Phasenübergang zum Bose-Einstein- Kondensat mit mehr als 105 Rubidiumatomen untersucht. Die Präparation der ultrakalten Ensembles für die Interferometrie wurde charakterisiert und autonom vom System optimiert, wobei sich die Reproduzierbarkeit aller Prozesse zur Kühlung zeigte. Des Weiteren wurden Zwei-Photonen-Prozesse genutzt, um die Materiewelle in die Superposition von Impulszuständen zu überführen und zur Interferenz zu bringen. Somit konnte die Kohärenz über die gesamte Ausdehnung der Kondensate nachgewiesen werden. Mit jeder Licht-Materie-Wechselwirkung wurde eine zusätzliche Phasenmodulation auf die Materiewelle aufgeprägt. Diese Struktur wurde nach einer freien Evolutionszeit in der räumlichen Dichteverteilung sichtbar und konnte für weitere Analysen verschiedener Spinorkomponenten des Ensembles verwendet werden. Die Erkenntnisse zur Präparation der ultrakalten Ensembles und zur Interferometrie im Weltraum wie auch die entwickelten Technologien ermöglichen künftige Missionen.
Im Jahr 1991 wurde erstmals die Interferenz von Atomen experimentell nachgewiesen. Seitdem wird dieses Phänomen in vielen Bereichen der Grundlagenforschung angewendet, unter anderem zur Bestimmung von Naturkonstanten mit bisher unerreichter Genauigkeit oder für Tests des Äquivalenzprinzips. Grundsätzlich können auch geophysikalische Vermessungen des Schwerefeldes der Erde von dieser neuen Technik profitieren, allerdings waren Atominterferometrie-Experimente aufgrund ihrer Komplexität bisher nur in Laboren möglich. Erst kürzlich wurde mit der Entwicklung mobiler Atominterferometer begonnen, die nun die hochpräzise Messung von Rotationen, Gravitationsgradienten sowie der absoluten Schwerebeschleunigung außerhalb von Laboren ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein absolutes Gravimeter entwickelt, konstruiert und getestet. Es basiert auf Rb87-Atomen, die in einer Vakuumumgebung gefangen, gekühlt und senkrecht entgegen der Erdanziehung beschleunigt werden. Während des anschließenden freien Falls werden die atomaren Ensembles durch drei Raman Lichtpulse aufgespalten und rekombiniert. Die lokale Schwerebeschleunigung kann aus den resultierenden Interferenzmustern bestimmt werden, die abhängig von der Bewegung der Atome in einem Gravitationspotential sind. Wir haben den Wert der lokalen Schwerebeschleunigung, g, mit einer Auflösung von 1 : 10^10 bei einer Integrationszeit von 12 Stunden vermessen. Dies entspricht 2,2 * 10^-7 m/s^2/Sqrt(Hz). Mit dieser Genauigkeit konnten bereits zeitliche Veränderungen des lokalen Schwerefeldes registriert werden, hervorgerufen durch eine Vielzahl an Effekten wie Erd- und Ozeangezeiten oder atmosphärischen Variationen. In einem Vergleich unter ähnlichen Messbedingungen konnte unser Instrument die lokale Schwerebeschleunigung mit einer um fast eine Größenordnung höheren Genauigkeit bestimmen als ein herkömmliches Gravimeter.
In dieser Arbeit wird ein atominterferometrisches Gravimeter vorgestellt und die Anwendbarkeit für einen quantenmechanischen Test des Einsteinschen Äquivalenzprinzips diskutiert.In Zusammenarbeit mit dem Institut für Erdmessung wurde der Sensor in mehrtägigen Messreihen zur Schwereregistrierung eingesetzt und bildet eine Grundlage für zukünftige absolutgravimetrische Messungen im Institut für Quantenoptik.Das Atom-Gravimeter wird mit auf 3 µK lasergekühlten Rubidium-87 betrieben.Die atomare Wolke geht nach einer Kühlphase direkt in den Freifall über.Das daraufhin appliziertes Strahlteiler-Lichtfeld treibt einen inertial sensitiven Zwei-Photonen Raman-Übergang und besteht in Analogie zu einem optischen Mach-Zehnder-Interferometer aus einer Abfolge aus Strahlteiler, Spiegel und abschließendem Strahlteiler-Puls.Die auf die atomare Superposition übertragene Phasenverschiebung durch die Interaktion mit den Lichtfeldern enthält die differenzielle Positionsinformation des atomaren Ensembles und erlaubt so eine Bestimmung der lokalen Beschleunigung relativ zum Lichtfeld.Die Kurzzeit-Sensitivität ist durch Vibrationen auf 3 × 10 -6 m/s 2 limitiert.Langzeitmessungen ergaben eine maximale integrierte Sensitivität des Gravimeters von 3,86 × 10 -8 m/s 2 nach 4,91 × 10 4 s Integrationszeit.Die Integration zeigt auf dem angegebenen Niveau keine Drift und ist nur durch ein Aussetzen der Laserkühlung limitiert.Der beschriebene Aufbau ist primär als atominterferometrischer Test des Einsteinschen Äquivalenzprinzips entwickelt und kann zu diesem Zweck mit einer zweiten atomaren Spezies betrieben werden.In einem Vergleich der lokalen Gravitation für Rubidium-87 und Kalium-39 werden die dominanten Rauschbeiträge differenziell unterdrückt.Basierend auf der Stabilitäts-Analyse wird in dieser Arbeit eine Abschätzung für das erreichbare Eötvös-Verhaltnis getroffen.Eine konservative Abschätzung mit den für Rubidium bereits demonstrierten Operationsparametern erlaubt eine Messung des Eötvös-Verhältnis auf einem Niveau von 1 × 10 -9 .
Angetrieben durch die vielfältigen Möglichkeiten, welche interferometrische Messmethoden mit Materiewellen für die physikalische Forschung bieten, hat die Atominterferometrie einen wichtigen Platz in der Forschung mit ultrakalten Atomen eingenommen. So erlauben es Atominterferometer bereits, z. B. die Erdbeschleunigung, Rotationen oder die Feinstrukturkonstante mit hoher Präzision zu messen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Kohärenz von Bose-Einstein-Kondensaten in Dipolpotentialen für atomoptische Elemente bzw. für Anwendungen in der Atominterferometrie. Als Werkzeug dient dabei ein Bragg-Gitter, mit dessen Hilfe interferometrische Messungen zur Charakterisierung der Kohärenz des Bose-Einstein-Kondensats durchgeführt wurden. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der erstmaligen Verwendung der konischen Refraktion zur Erzeugung eines ringförmigen Potentials zur Führung und Speicherung von Bose-Einstein-Kondensaten. In der Fokalebene der konischen Refraktion entsteht eine ringförmige Intensitätsverteilung, die eine Doppelringsubstruktur aufweist. Zwischen diesen beiden Ringen wurde das Kondensat gespeichert, wobei der Einschluss in der axialen Richtung durch einen Lichtteppich gewährleistet wird. Es wurde demonstriert, dass Atome, die mittels eines Bragg-Gitters beschleunigt wurden, zwei volle Umläufe im Ringpotential absolvieren können. Durch interferometrische Methoden wurde nach dem Umladen in das Potential ein Kontrast von bis zu 43% beobachtet. Die Kontrastreduktion gegenüber einer Messung im linearen Wellenleiter (53%), der aus einem Strahl der zur Erzeugung des Bose-Einstein-Kondensats genutzten Dipolfalle bestand, kann durch spontane Streuung von Photonen des Lichtteppichs begründet werden. Nach einem halben Umlauf im Ring, was einer zurückgelegten Strecke von 0,54 mm entspricht, zeigte sich, dass sowohl die Kohärenzlänge, als auch der Kontrast vergleichbar ist mit Werten, die für Kondensate nach ähnlichen Zeiten in Ruhe beobachtet werden. Bei allen interferometrischen Experimenten stimmte der beobachtete Streifenabstand mit den berechneten Werten überein. Für einen auf Dipolpotentialen basierenden Bragg-Spiegel für Atome wurde ein Modell aus der lokalen Bandstruktur entwickelt, durch das eine gezielte Dimensionierung bzgl. der Filterwirkung und Reflektivität eines solchen Spiegels erreicht werden kann. Der Spiegel besteht aus einem räumlich begrenzten optischen Gitter mit einer Gaußschen Einhüllenden. Durch die spezielle Form der Bandlücken, wie sie durch die Gaußsche Einhüllende entsteht, lässt sich ein Resonator für Atome konstruieren, dessen Reflektivität dynamisch durch Variation der Leistung der Gitterstrahlen verändert werden kann und der Aufenhaltsdauern von über 75 s ermöglicht. Dadurch ließen sich in Simulationen Rephasierungen der Wellenfunktion beobachten, die zu einer Wiederkehr der ursprünglichen Dichteverteilung führen. Für die Experimente wurde ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium87-Atomen in einer gekreuzten Dipolfalle durch evaporative Kühlung präpariert. Die Evaporation benötigt eine Zeit von 12 s. Zusammen mit der Ladezeit der magneto-optischen Falle und der Zeit, die für die Detektion benötigt wird, kann so etwa alle 20 s ein Bose-Einstein-Kondensat mit 15.000 Atomen und einem Kondensatanteil von 80% erzeugt werden. Es wurde beobachtet, dass ein breitbandiger Faserlaser, wie der hier verwendete mit einer Wellenlänge von 1070 nm, erhöhte intensitätsabhängige Zweikörperverluste verursacht, die in einer Lebensdauer der Atome in der Falle von unter 1 s resultieren können. Aus diesem Grund wurde der theoretisch optimale Verlauf der Evaporation modifiziert. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass die Zeitkonstante der Leistungsreduktion proportional zur Lebensdauer bei der entsprechenden Leistung sein sollte, um eine optimale Evaporation zu gewährleisten. Trotz der hohen Verlustraten wurde so eine effiziente Präparation des Bose-Einstein-Kondensats erreicht.