Zusammenfassung Atominterferometer haben in den letzten Jahren große experimentelle Hürden gemeistert. So konnte mit ihnen vor kurzem der bis jetzt genaueste Wert der Feinstrukturkonstante bestimmt werden. Aber auch bei der Erforschung von Dunkler Energie lieferten sie wichtige Resultate. Selbst eine heftig debattierte, durch Schwarzkörperstrahlung hervorgerufene Kraft konnte experimentell nachgewiesen werden. In näherer Zukunft sind weitere bahnbrechende Entwicklung zu erwarten. Ein in einem optischen Resonator levitierendes Atominterferometer sollte die Empfindlichkeit und räumliche Genauigkeit von jetzigen Atominterferometern in der Messung von Kraftfeldern um viele Größenordnungen übertreffen. Das sollte viele neue spannende Experimente ermöglichen.
Zusammenfassung Atominterferometer haben in den letzten Jahren große experimentelle Hürden gemeistert. So konnte mit ihnen vor kurzem der bis jetzt genaueste Wert der Feinstrukturkonstante bestimmt werden. Aber auch bei der Erforschung von Dunkler Energie lieferten sie wichtige Resultate. Selbst eine heftig debattierte, durch Schwarzkörperstrahlung hervorgerufene Kraft konnte experimentell nachgewiesen werden. In näherer Zukunft sind weitere bahnbrechende Entwicklung zu erwarten. Ein in einem optischen Resonator levitierendes Atominterferometer sollte die Empfindlichkeit und räumliche Genauigkeit von jetzigen Atominterferometern in der Messung von Kraftfeldern um viele Größenordnungen übertreffen. Das sollte viele neue spannende Experimente ermöglichen.
Das Gebiet der Atomoptik hat sich in den letzten zwanzig Jahren von einem Stadium einfacher Demonstrationsexperimente bis zum Aufbau komplexer Präzisionsmessinstrumente zur Bestimmung von Naturkonstanten entwickelt. Mittlerweile gibt es eine erste Generation transportabler Atominterferometer auf der Basis kalter Atome, die eine Messung von Beschleunigungen oder Rotationen ermöglicht. Mit der experimentellen Realisierung der Bose-Einstein-Kondensation haben sich faszinierende Perspektiven auf dem Gebiet der Atomoptik eröffnet. Ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) als Quelle kohärenter Materiewellen ermöglicht den Aufbau neuartiger Interferometerstrukturen. Ein besonders einfaches und variables Mittel der Manipulation von Bose-Einstein-Kondensaten stellen optische Dipolpotentiale dar. In der vorliegenden Arbeit werden atomoptische Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten in mit mikrooptischen Elementen erzeugten optischen Dipolpotentialen vorgestellt. Solche optischen Mikroelemente ermöglichen besonders kompakte optische Aufbauten. Die Bose-Einstein-Kondensate aus 87Rb-Atomen entstehen mit Hilfe evaporativer Kühlung in einer gekreuzten Dipolfalle mit Licht eines Faserlasers bei einer Wellenlänge von 1070 nm durch langsames Absenken der Strahlleistungen. Bei Temperaturen von unter 20 nK werden ultra-kalte Ensembles mit 10000 Atomen bei einem Kondensatanteil von 50% erzeugt. Als Werkzeug zum Teilen und Beschleunigen der Bose-Einstein-Kondensate wurde ein eindimensionales optisches Gitter realisiert. Durch unterschiedliche Pulssequenzen und relative Verstimmungen der Gitterstrahlen ist damit sowohl eine gezielte Erzeugung kohärenter Superpositionen zwischen verschiedenen Impulszuständen möglich als auch eine kontrollierte adiabatische Beschleunigung des gesamten atomaren Ensembles. So wurde mit einem Puls eines unbewegten optischen Gitters ein symmetrisches Aufteilen des Ensembles in Teilensembles mit entgegengerichtetem Impuls gleichen Betrags mit einer Effizienz von 80% erreicht. Mit einem Puls eines bewegten optischen Gitters konnten außerdem gezielt Superpositionen zwischen unterschiedlichen benachbarten Impulszuständen erzielt werden. Weiterhin ließ sich mit einem solchen Gitterpuls das gesamte Ensemble mit einer Effizienz von mindestens 60% in eine von null verschiedene Impulsordnung überführen. Durch eine adiabatische Beschleunigung wurden sogar Effizienzen von mindestens 90% beim Beschleunigen von atomaren Ensembles auf Impulse von bis zu 6 Photonenrückstößen erreicht. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit bilden Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten in mit einer mikrostrukturierten optischen Ringlinse erzeugten Dipolpotentialen. Das Ziel dieser Experimente ist die Realisierung kompakter Wellenleiter- und Interferometerstrukturen für teilweise kondensierte Ensembles. Eine ringförmige Dipolfalle ermöglicht unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten. Damit ist sowohl die einfache Realisierung eines Speicherrings für Bose-Einstein-Kondensate als auch eines Interferometers vom Sagnac-Typ möglich. Das realisierte Schema zum Aufbau einer ringförmigen Dipolfalle wird vorgestellt und das erfolgreiche Umladen in diese Falle wird demonstriert. Weitere experimentelle Schritte, um eine Ausbreitung entlang des Rings zu ermöglichen, werden diskutiert. Bose-Einstein-Kondensate in Fallen mit reduzierten Dimensionalitäten sind Gegenstand vielfältiger aktueller Forschungen. Durch die Kombination eines Strahls der gekreuzten Dipolfalle mit einem blauverstimmten ringförmigen Potential wurde ein quasi-eindimensionaler Resonator erzeugt, in dem erstmals sowohl die Dynamik frei expandierender Bose-Einstein-Kondensate als auch von entgegengesetzt beschleunigten Teilensembles beobachtet wurden, so dass die entstehenden Dichteverteilungen analysiert werden konnten. Als weitere Anwendung der Ringlinse konnte durch die Kombination eines abstoßenden ebenen Potentials und eines abstoßenden Ringpotentials ein kreisförmiger Resonator demonstriert werden, in dem die Atome wie in einer Schale gehalten werden, so dass die Expansion von thermischen und teilweise kondensierten Ensembles beobachtet werden konnte.
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.
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.
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.
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.
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.