Wechselwirkung eines Bose-Einstein-Kondensats mit Festkörpern verschiedener Geometrie

Michael Erhard

Jürgen Schoser

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.

Jonathan Balewski, Sebastian Hofferberth

Abstract Das Verständnis der Wechselwirkung von Elektronen mit Materie ist wesentlich für die Lösung fundamentaler Fragestellungen und technischer Probleme. Unsere Gruppe an der Universität Stuttgart untersuchte kürzlich ein einzelnes mikrometergroßes Rydberg‐Atom, das mehrere zehntausend normale Atome in seinem Elektronenorbital enthält. Damit realisierten wir erstmals ein Modellsystem im Labor, bei dem sich die Wechselwirkung eines einzelnen Elektrons mit vielen Atomen in seinem Orbital studieren lässt.

D. Hellweg

Dag Schmidt

Thema der Dissertation ist die Wechselwirkung eines Bose-Einstein Kondensats mit den Lichtmoden eines optischen Ringresonators. Der Ringresonator ermöglicht die definierte Interaktion des Kondensats mit zwei unabhängigen Lichtmoden, die den Resonator in entgegengesetzte Richtungen durchlaufen. Dieses System eignet sich hervorragend für die Untersuchung fundamentaler, kollektiver Wechselwirkungseffekte zwischen Licht und Materie. Die durch das Lichtfeld vermittelte langreichweitige Wechselwirkung stellt eine globale Kopplung zwischen den Atomen her, die zu einem dynamischen, instabilen Verhalten des Systems führen kann. Hierbei wird Licht, das einseitig in den Resonator eingekoppelt wird, durch kohärente Umstreuung an den Atomen zwischen den gegenläufigen Resonatormoden ausgetauscht. Diese Umstreuung führt zu einem selbstverstärkenden Strukturierungsprozess der atomaren Dichteverteilung, dessen Effizienz entscheidend durch die Wahl der Verstimmung zwischen Laserfrequenz und einer Resonanzfrequenz des Resonators beeinflusst werden kann. Infolgedessen weist das gemessene Stabilitätsdiagramm eine starke Asymmetrie auf. Die Arbeit behandelt, neben den experimentellen Methoden, sowohl ein quantenmechanisches-, als auch ein vollständig klassisches Modell, die Aufschluss über die Ursache der beobachteten Asymmetrie geben.

Stephan Seidel