Die Konzeption einer adaptiven, fernsteuerbaren Quelle für Alkaliatome wird in dieser Arbeit thematisiert. Dabei werden verschiedene Technologien gegenübergestellt und untersucht, woraus die Notwendigkeit einer Abfüllanlage für die Alkalimetalle abgeleitet wird. Eine Abfüllung der in Glasampullen gelagerten, reaktiven Alkalimetalle in Ofenreservoirs wird designt, aufgebaut und validiert. Dadurch können Öfen diverser Geometrie mit reinem Alkalimetall gefüllt und auf einen Totaldruck von bis zu 1 x 10-8 hPa abgepumpt werden. \nHierfür wird die Ampulle unter Ultrahochvakuum gebrochen, das Alkalimetall über eine integrierte Heizspule aufgeschmolzen und anschließend über einen Trichter in den Ofen umgefüllt. Die Abfüllanlage ist flexibel gestaltet worden, sodass auch Adaptionen und andere Anwendungsmöglichkeiten mit geringem Arbeitsaufwand möglich werden. Durch das vakuumgerechte Design und den sorgsamen Umgang mit den Komponenten kann eine hohe Repetitionsrate von ca. einer Abfüllung in zwei Tagen erreicht werden. \nAuf Basis von standardisierten Komponenten werden vier Ofenkonzepte vorgestellt und bewertet. Die Verwendung von Ganzmetalleckventilen und deren Adaptierung wird für die Anwendung als Alkaliatom-Quelle analysiert. Durch die Auslegung der Entwürfe wird es möglich, eine leichte, abtrennbare Alkaliatom-Quelle zu konstruieren und für Experimente mit ultrakalten Atomen zu nutzen. Dabei wird Rücksicht auf die Anforderungen von Mikrogravitationsplattformen, deren möglichen Launchern und den Experimentbedingungen genommen. \nEines der vier Konzepte wird mit einem kommerziell erhältlichen Schieberventil entworfen. An dieses Absperrorgan kann der eigentliche Ofen über eine für das Ultrahochvakuum taugliche Con-Flat-Verbindung angebracht werden. Dieser Prototyp wird zur Verifikation der Abfüllanlage aufgebaut. Dadurch wird gezeigt, dass diese in der Lage ist, einen Ofen mit bis zu 90 % des Alkalimetalls aus der Ampulle zu füllen. \nDer Ofenprototyp wird nach der Abfüllung an einem Teststand zur Partialdruckmessung untersucht, welcher zusätzlich im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut wurde. Die Dichtheit des Schieberventils wird geprüft und das Aufheizverhalten des Ofens analysiert. Zum Nachweis der Funktion einer Alkaliatom-Quelle können über einen resonanten Laser die Alkalimetalle detektiert und aus den Messdaten der Photodiode der Partialdruck errechnet werden. Mit dem Aufbau wird zusätzlich eine anwendungsnahe Charakterisierung der Öfen möglich.
Die Konzeption einer adaptiven, fernsteuerbaren Quelle für Alkaliatome wird in dieser Arbeit thematisiert. Dabei werden verschiedene Technologien gegenübergestellt und untersucht, woraus die Notwendigkeit einer Abfüllanlage für die Alkalimetalle abgeleitet wird. Eine Abfüllung der in Glasampullen gelagerten, reaktiven Alkalimetalle in Ofenreservoirs wird designt, aufgebaut und validiert. Dadurch können Öfen diverser Geometrie mit reinem Alkalimetall gefüllt und auf einen Totaldruck von bis zu 1 x 10-8 hPa abgepumpt werden. \nHierfür wird die Ampulle unter Ultrahochvakuum gebrochen, das Alkalimetall über eine integrierte Heizspule aufgeschmolzen und anschließend über einen Trichter in den Ofen umgefüllt. Die Abfüllanlage ist flexibel gestaltet worden, sodass auch Adaptionen und andere Anwendungsmöglichkeiten mit geringem Arbeitsaufwand möglich werden. Durch das vakuumgerechte Design und den sorgsamen Umgang mit den Komponenten kann eine hohe Repetitionsrate von ca. einer Abfüllung in zwei Tagen erreicht werden. \nAuf Basis von standardisierten Komponenten werden vier Ofenkonzepte vorgestellt und bewertet. Die Verwendung von Ganzmetalleckventilen und deren Adaptierung wird für die Anwendung als Alkaliatom-Quelle analysiert. Durch die Auslegung der Entwürfe wird es möglich, eine leichte, abtrennbare Alkaliatom-Quelle zu konstruieren und für Experimente mit ultrakalten Atomen zu nutzen. Dabei wird Rücksicht auf die Anforderungen von Mikrogravitationsplattformen, deren möglichen Launchern und den Experimentbedingungen genommen. \nEines der vier Konzepte wird mit einem kommerziell erhältlichen Schieberventil entworfen. An dieses Absperrorgan kann der eigentliche Ofen über eine für das Ultrahochvakuum taugliche Con-Flat-Verbindung angebracht werden. Dieser Prototyp wird zur Verifikation der Abfüllanlage aufgebaut. Dadurch wird gezeigt, dass diese in der Lage ist, einen Ofen mit bis zu 90 % des Alkalimetalls aus der Ampulle zu füllen. \nDer Ofenprototyp wird nach der Abfüllung an einem Teststand zur Partialdruckmessung untersucht, welcher zusätzlich im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut wurde. Die Dichtheit des Schieberventils wird geprüft und das Aufheizverhalten des Ofens analysiert. Zum Nachweis der Funktion einer Alkaliatom-Quelle können über einen resonanten Laser die Alkalimetalle detektiert und aus den Messdaten der Photodiode der Partialdruck errechnet werden. Mit dem Aufbau wird zusätzlich eine anwendungsnahe Charakterisierung der Öfen möglich.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte eine starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erreicht werden. Diese ist notwendig für effiziente lineare und nichtlineare optische Effekte, wie sie für zukünftige optische Quanten-Netzwerke und Quanten-Simulationen erforderlich sind. Hierfür wurde ein eindimensionales Medium extremer optischer Dichte (OD) erzeugt. Das verwendete Rubidium-87 erzielte innerhalb einer Hohlfaser eine OD von 1000 auf einem offenen Übergang. Dieses Medium sollte auf der Basis von EIT kohärente Effekte wie Lichtspeicherung und stationäre Lichtpulse (SLPs) ermöglichen, welche in Quanten-Netzwerken Verwendung finden sollen. Diese Effekte wurden in dieser Arbeit erstmalig in einem solchen eindimensionalen Medium hoher OD realisiert. Dabei wurden auch die besonderen Eigenschaften eines Mediums hoher OD insbesondere aufgrund nicht-resonanter Übergänge untersucht. Zur Überprüfung der Messergebnisse wurden diese mit einer numerischen Simulation verglichen. Diese berücksichtigt nicht nur die Absorption der nicht-resonanten Übergänge, sondern auch die räumlich inhomogene Verteilung der Atome innerhalb der Faser sowie die Gauß-förmige Intensitätsverteilung der verwendeten Laserstrahlen. Dies war notwendig, um die Transmission durch das Medium und Auswirkungen auf die Gruppengeschwindigkeit im Medium korrekt zu simulieren, die sich deutlich von den sonst üblichen Fällen mit homogenem Medium unterscheiden. So tritt aufgrund des räumlich unterschiedlich starken Kontrollfeldes auch räumlich unterschiedliche Transmission unter EIT auf. Dies führt zu einer inhomogenen Verbreiterung und damit Reduzierung der Gesamttransmission. Zur experimentellen Umsetzung wurde eine bestehende magneto-optische Falle (MOT) zum Kühlen und Fangen von Rubidium-87 mit asymmetrischer Form verwendet. Die asymmetrische Form führte zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Atome in transversaler und longitudinaler Richtungen, was mittels Flugzeit-Messungen und temperaturabhängigem EIT mit gegenläufigen Strahlen gemessen wurde. Die MOT wurde um eine photonische Kristall-Faser mit Hohlkern (HCPCF) erweitert. Hierfür wurde eine Halterung mit Möglichkeiten zur Ausrichtung der Faser und ein System aus Optiken zur Ein- und Auskopplung von Laserstrahlen konstruiert. Zur Führung der Atome aus der MOT zur HCPCF wurde ein optischer Trichter auf Basis einer Dunkelpunkt-MOT erzeugt. Zur Steigerung der Transfereffizienz wurde eine Verschiebung der Wolke aus kalten Atomen mittels Magnetfeldern ergänzt. Zum Transfer in die Faser und zur Führung innerhalb des Hohlkerns wurde eine optische Dipolfalle implementiert. Das dafür verwendete Lasersystem wurde auf eine ausreichende Leistung und Frequenzstabilität untersucht. Dabei zeigte ein Betrieb mit zwei longitudinalen Moden eine Verbesserung der Transfereffizienz um einen Faktor 2–5. Mit der Kombination dieser Techniken wurden erfolgreich kalte Rubidiumatome von der MOT in den Hohlkern geladen. Zum Nachweis der Atome wurde deren Anzahl in der HCPCF mittels optischem Pumpen bestimmt und es wurden Transmissionsspektren aufgenommen. Diese belegen eine Anzahl von ca. 3∙10^5 Atomen und eine OD von bis zu 1000 in der Faser. Die erreichte Transfereffizienz von bis zu 5% liegt eine Größenordnung über dem Wert in früheren Ansätzen. Die verwendete HCPCF stellte sich als stark doppelbrechend heraus, was die Polarisation des transmittierten Lichts bereits auf den Abmessungen der Atomwolke deutlich verändert und daher das ursprünglich geplante EIT zwischen Zeeman-Zuständen unmöglich machte. Deshalb wurde ein polarisationsunabhängiges Kopplungsschema zwischen Hyperfein-Zuständen gewählt. Die beiden dafür nötigen Lasersysteme wurden mithilfe einer ebenfalls auf EIT basierenden Stabilisierungstechnik in Frequenz und Phase aufeinander stabilisiert. Das System wurde zunächst erfolgreich an Atomen außerhalb der HCPCF getestet. Dann wurden innerhalb des Mediums hoher OD die Bedingungen für EIT erzeugt, um einem schwachen Nachweisfeld eine Propagation mit reduzierter Absorption zu ermöglichen. Dabei wurden die starken Einflüsse der nicht-resonanten Übergänge auf Höhe und Position des Transmissionsfensters durch den Stark-Effekt untersucht. Die Ergebnisse ließen sich mit der Simulation bestätigen und zeigen die besonderen Eigenschaften des räumlich inhomogenen Mediums hoher OD in Form einer reduzierten Transmission. Dies ist die erste Realisierung von EIT bei OD > 30 in solch einem eindimensionalen Medium innerhalb einer Hohlfaser. Danach wurde die Verzögerung von Lichtpulsen durch das Medium hoher OD aufgrund reduzierter Gruppengeschwindigkeit (langsames Licht) untersucht. Dies diente der einfachen Bestimmung der OD und dem Auffinden geeigneter Parameter der OD und der Kontroll-Rabi-Frequenz für Lichtspeicherung und SLPs. Dabei konnte ein Lichtpuls bis um das Doppelte der Pulslänge verzögert werden, was sicherstellte, dass sich nahezu der gesamte Puls im Medium befand. Die nicht-resonanten Übergänge begrenzten dabei die erreichbare Transmission. Die Verzögerung der Lichtpulse entsprach aufgrund der inhomogenen Verbreiterung nicht den bekannten Werten in homogenem Medium, konnte aber mit der Simulation richtig beschrieben werden. Die hier gezeigten Experimente mit langsamem Licht stellen die erste Untersuchung bei OD > 30 im eindimensionalen Medium dar. Als nächstes wurden Lichtpulse im Medium als kohärente Überlagerung von Spin-Zuständen gespeichert. Diese Lichtspeicherung in einem atomaren Ensemble ist in später geplanten möglichen Anwendungen als Quanten-Speicher und Quanten-Repeater von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurde dabei eine absolute Speichereffizienz von 23 % erreicht. Wie Simulationsergebnisse zeigen, wäre ohne die Absorption durch nicht-resonante Übergänge eine höhere Effizienz möglich. Die im Experiment erreichte relative Effizienz von 60% (Anteil des langsamen Lichts, der gespeichert und wieder ausgelesen wurde) zeigt das theoretisch hohe Potential des Mediums als Quanten-Speicher. Es konnten Pulse für Speicherzeiten von bis zu 2,9 µs gespeichert werden, wobei hier neben der Dekohärenz besonders experimentelle Grenzen die messbare Zeit eingrenzten. Die Beschränkung der Speichereffizienz durch Zerfälle ist hauptsächlich durch die Bewegung der Atome gegeben. Hier ist also eine weitere Optimierung durch Kühlung der Atome möglich. Die hohe Absorption durch die nicht-resonanten Übergänge und der experimentell bedingte Untergrund durch den starken, kollinearen Kontrollstrahl begrenzten die verwendeten Nachweispulse auf ≥ 70 Photonen. Die gezeigte Lichtspeicherung stellt die erste Realisierung innerhalb einer Hohlfaser dar. Schließlich wurden im Medium stationäre Lichtpulse erzeugt. Diese sind nur bei hoher OD möglich und können zukünftig starke Wechselwirkungen zwischen einzelnen Photonen und eine erhöhte Wechselwirkungsdauer ermöglichen. Wie in früheren Experimenten gezeigt, erfordern SLPs in kalten Atomen eine Verstimmung zwischen den gegenläufigen Kontrollfeldern. Dies konnte hier nicht nur bestätigt werden, es zeigte sich auch, dass bei einem eindimensionalen Medium zusätzlich eine geringe Zweiphotonenverstimmung zwischen Nachweis- und Kontrollfeld zur Phasenanpassung erforderlich ist. Die erreichte Effizienz von 2,8(6)% liegt leicht unter früheren Realisierungen (ca. 5%), ist aber neben der nicht-resonanten Absorption zum Teil auf die räumlich stark inhomogenen EIT-Transmissionen aufgrund der dauerhaft aktiven Kontrollfelder zurückzuführen. Da ein direkter Nachweis der SLPs innerhalb der HCPCF noch nicht möglich ist, wurde das detektierte Signal nicht nur mit dem Signal von langsamem Licht bei gleichen Bedingungen verglichen, sondern auch mit einer Simulation überprüft. Diese zeigte gute Übereinstimmung mit den gemessenen Daten und sagt das Vorhandensein eines Lichtfeldes im Medium in der relevanten Zeit voraus. Eine Abhängigkeit des Signals von der Verstimmung der Kontrollfelder und der SLP-Dauer bestätigte ebenfalls die Existenz von SLPs. Dies ist die erste Realisierung von SLPs in einem eindimensionalen Medium.
Atominterferometrie mit Erdalkalimetallen wird trotz der enormen Möglichkeiten der Laserkühlung noch immer durch die Bewegung der Atome begrenzt.Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb zwei neue Kühlverfahren entwickelt und untersucht, die die Temperatur von Calciumatomen in einer bzw.drei Dimensionen um mehr als zwei Größenordnungen unter die bisherige Grenze, das Dopplerlimit auf dem Übergang 1 S 0 -1 P 1 (T D ≈1 mK), reduzieren.Beide nutzen die hohe Geschwindigkeitsselektivität der schmalen Interkombinationslinie 1 S 0 -3 P 1 zur Nachkühlung eines in einer konventionellen magneto-optischen Falle (MOT) gekühlten Ensembles von Calciumatomen.Bei dem von uns " Maxwells-Dämon-Kühlung" [1] genannten Verfahren werden aus dem vorgekühlten Ensemble in einer Dimension die langsamsten Atome durch Selektionspulse auf dem Interkombinationsübergang ausgewählt.Die gewünschte Geschwindigkeitsbreite kann dabei durch die Dauer der Selektionspulse und die mittlere Geschwindigkeit durch die Verstimmung zur Resonanz eingestellt werden.Um langsame Atome zu akkumulieren, werden die selektierten Atome optisch in die magnetischen Unterzustände des 3 P 1 -Zustands gepumpt, die Grundzustandsgeschwindigkeitsverteilung durch eine sogenannte optische Melasse auf dem Kühlübergang 1 S 0 -1 P 1 rethermalisiert und das ganze Schema mehrfach wiederholt.Die erreichten Geschwindigkeitsverteilungen mit v rms ≈ 4 cm/s in einer Dimension sind durch die spontanen Zerfälle beim Umpumpen limitiert.Der Einsatz der so gekühlten Atome in einem Ramsey-Bordé-Atominterferometer, das Laserstrahlen als Strahlteiler verwendet, führt zu einem deutlich höheren Kontrast der Interferenzsignale .In einem einfachen Interferometer im Zeitbereich mit drei Strahlteilerpulsen aus einer Richtung konnte der Kontrast von 30 % auf etwa 50 % gesteigert werden.Der Kontrast wird bei den kleinen Geschwindigkeitsbreiten in Richtung der Strahlteilerpulse nicht mehr durch deren Fourierbreite begrenzt, sondern dadurch, dass die Atome senkrecht zum Laserstrahl aus dem Wechselwirkungsbereich laufen.Um auch diese Bewegung zu reduzieren, die insbesondere zu unerwünschten Phasenverschiebungen bei der Atominterferometrie führt und so z.B. die Unsicherheit von Frequenznormalen erhöht, wurde ein dreidimensionales Kühlverfahren entwickelt.Bei der sogenannten " Quench-Kühlung" [2] wird eine MOT auf dem Interkombinationsübergang genutzt, deren Dopplerlimit wegen der kleinen Linienbreite weit unter dem Rückstoßlimit liegt.Um die daraus folgende kleine Kraft zu erhöhen, wurde die Lebensdauer des angeregten Zustandes durch einen Rückpumplaser verkürzt.Durch dieses "Quenchen" wird die effektive Streurate auf dem Interkombinationsübergang so weit erhöht, dass ein Einfang der vorgekühlten Atome gegen die Gravitation möglich wird.Schon nach wenigen Millisekunden Kühlung werden, bei einer Umladeeffizienz von mehr als 10 %, Geschwindigkeitsverteilungen mit v rms ≈ 5 cm/s erreicht, die nur wenigen Rückstößen der beteiligten Photonen entsprechen.Erste Kamerabilder der ultrakalten Atomwolke zeigen, dass diese etwa die gleiche Ausdehnung wie die der vorgekühlten Atome hat.Damit wird insgesamt eine Zunahme der Phasenraumdichte um mehr als zwei Größenordnungen abgeschätzt.Die Möglichkeit, auf sehr schmalen Linien zu kühlen, wird für die bisher nicht in den Mikrokelvin -Bereich kühlbaren Erdalkalielemente Ca und Mg viele neue experimentelle Perspektiven eröffnen.
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.
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.
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.
Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden die wesentlichen Komponenten eines Versuchsaufbaus zum Untersuchen von REMPI bei Kaliumatomen entworfen und realisiert. Insbesondere wurden alle Anbauteile der Vakuumkammer fertiggestellt, sodass die Kaliumquelle mit Kalium befüllt und die Vakuumkammer abgepumpt werden konnte. Auch bei Betrieb der Kaliumquelle blieb der Druck unter 5 · 10−7 Torr, sodass geschlossen werden kann, dass die Vakuumpumpen ausreichend dimensioniert wurden und die verschiedenen Bauteile entsprechend den Anforderungen des gewünschten Vakuums geeignet umgesetzt wurden. Außerdem wurden bereits erste Versuche mit dem Aufbau durchgeführt. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Kaliumquelle den thermischen Belastungen standhält. Vor allem aber wurde nachgewiesen, dass die Quelle einen Kaliumstrahl erzeugt. Damit einhergehend hat sich auch der Kaliumstrahldetektor als funktionstüchtig erwiesen. Bei diesen ersten Tests wurden jedoch von den Erwartungen abweichende Detektorströme gemessen. Möglicherweise können weitere Untersuchungen, beispielsweise durch Betreiben der Kaliumquelle bei der Maximaltemperatur von 200 ◦C und ein Konditionieren des Glühdrahtes bei Temperaturen über 2500 K, weitere Schlüsse auf die Ursache der festgestellten Diskrepanz zulassen. Schlussendlich ist diese Abweichung von der Abschätzung aber unproblematisch, da sie auf die Untersuchung der Geschwindigkeitsverteilung der Photoelektronen bei REMPI von Kalium keinen Einfluss hat. Dahingegen ist essentiell, dass sich die Wellenlänge des Laser passend einstellen lässt, sodass eines der 5p Resonanzniveaus angeregt wird. Es wurde zwar noch nicht getestet, ob dies bei den Kaliumatomen des Strahls in der Vakuumkammer gelingt, aber in der Kaliumdampfzelle wurde die Anregung der Resonanzniveaus bereits durch Fluoreszenz nachgewiesen. Daher ist zu vermuten, dass es auch bei dem Kaliumatomen des Strahls gelingen wird. Da der Laser zum Zeitpunkt der Fertigstellung dieser Masterarbeit noch nicht mit dem Kaliumstrahl gekreuzt wurde, konnte auch noch nicht getestet werden, ob das Spektrometer die gewünschten Abbildungseigenschaften hat. Allerdings sind keine großen Abweichungen von der Simulation zu erwarten, wenn das Erdmagnetfeld gut kompensiert werden kann. Aus dem gleichen Grund konnte der Elektronendetektor noch nicht endgültig getestet werden. Es wurde jedoch bereits ein Hintergrundsignal, welches insbesondere bei Betrieb des Glühdrahtes und des Hochvakuummeters auftritt, in Form von Leuchtpunkten sichtbar gemacht. Daher ist zu vermuten, dass der Elektronendetektor wie gewünscht funktioniert. Aus der obigen Darlegung wird deutlich, dass für die endgültige Nutzung der optische Aufbau noch vervollständigt werden muss, um den Strahl gleichzeitig in die Kammer und die Kaliumdampfzelle zu führen, sowie eine lineare Polarisation in y-Richtung einzustellen. Des Weiteren sind drei Paar stromdurchflossene Spulen außen am Aufbau zu montieren, um das Erdmagnetfeld zu kompensieren, sodass das Spektrometer entsprechend der Simulation funktioniert. Vor allem aber, muss die Datenaufnahme und -verarbeitung mit einer Kamera und einem PC noch realisiert werden, um den Versuch quantitativ auszuwerten und aus den Detektorbildern die Geschwindigkeitsverteilung der Photoelektronen zu rekonstruieren.