Die ersten Experimente mit atomaren Bose-Einstein Kondensaten (BEK) wurden in magnetischen Fallen durchgeführt.Das Magnetfeld dieser Fallen führt zu einer Polarisierung der atomaren Spins und somit zu einem Einfrieren des Spinfreiheitsgrades. Optische Dipolfallen erlauben hingegen beliebige Spinorientierungen.Der Spinfreiheitsgrad von quantenentarteten Spinorgasen führt zu unzähligen neuen physikalischen Phänomenen.Das Hauptmerkmal von ultrakalten Spinorgasen sind spinändernde Zweiteilchenstöße, bei denen sich die z-Komponente der Einteilchenspins ändert, während die z-Komponente des Zweiteilchenspins erhalten bleibt.Das Wechselspiel dieser spinändernden Stöße mit dem Zeemaneffekt und dem inhomogenen Fallenpotential führt zu einer Reihe neuartiger Phänomene im Hinblick auf die Struktur des Grundzustandes, der Ausbildung von Spinstrukturen und Domänenwänden, sowie der kohärenten Spindynamik.Erst kürzlich wurde gezeigt, dass Spinor BEK die Beobachtung makroskopischer Quantenphänomene erlauben, welche der aus der Quantenoptik bekannten parametrischen Verstärkung sehr ähnlich sind.Die Untersuchung dieses Effekts ist der Schwerpunkt dieser Arbeit.In dieser Dissertation wird die Spindynamik von atomaren 87 Rb BEK mit Spin 1 oder 2 untersucht, welche im Spin-Anfangszustand |m = 0 präpariert wurden.Ein charakteristisches Merkmal der Dynamik ist die stoßinduzierte Erzeugung korrelierter Atompaare in den Spin-Zuständen |m = ±1 .Dieser Prozess ist auf das Engste mit der parametrischen Verstärkung verwandt, welche aus der Quantenoptik bekannt ist.Ich zeige, dass die Spindynamik eine faszinierende multiresonante Magnetfeldabhängigkeit aufweist, welche durch die Inhomogenität der Falle induziert wird.Diese Magnetfeldabhängigkeit ist direkt verknüpft mit der Instabilität der Spin-Bogoliubov-Moden des BEK im Spin-Anfangszustand |m = 0 .Die genaue Analyse der Magnetfeldabhängigkeit der Instabilität der Spin-Bogoliubov-Moden zeigt, dass das optische Fallenpotential einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz der Paarerzeugung hat.Ich untersuche außerdem im Detail den Auslösemechanismus der Spindynamik, welcher durch die unvermeidbare Präsenz störender Saatatome und durch Quantenfluktuationen gegeben ist.Es lässt sich aber zeigen, dass der Einfluss von Saatatomen auf das System unter bestimmten Bedingungen vernachlässigbar ist, wodurch die Dynamik ausschließlich durch Quantenfluktuationen ausgelöst wird.Es wird weiterhin gezeigt, dass magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkungen einen entscheidenden Einfluss auf die Dynamik von Spin-1 87 Rb BEK haben, obwohl diese in Alkaligasen typischerweise sehr schwach sind.Allerdings ist die Stärke der spinändernden Stöße in Spin-1 87 Rb ebenfalls sehr schwach und dadurch von vergleichbarer Größenordnung.Wir zeigen, dass magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zu einer starken Abhängigkeit der Verstärkungsdynamik vom Winkel zwischen der Achse der zigarrenförmigen Falle und dem angelegten Magnetfeld führen.Wir untersuchen außerdem den wichtigen Einfluss von Magnetfeldgradienten auf den Verstärkungsprozess, welcher von vergleichbarer Größenordnung sein kann.Für den zweifelsfreien Nachweis des Einflusses der magnetischen Dipol-Dipol-Wechselwirkung ist deshalb in zukünftigen Experimenten eine genaue Kontrolle der Magnetfeldgradienten unerlässlich.Ich zeige schließlich, dass in einer axialsymmetrischen Falle sowohl die räumliche als auch die Spinsymmetrie des Hamiltonians während der parametrischen Verstärkung der Quantenfluktuationen spontan gebrochen sein kann.Die axiale Symmetrie ist immer dann gebrochen, wenn entartete Fallenmoden maximal verstärkt werden, während in diesen Fällen die Spinsymmetrie erhalten bleibt.Wenn hingegen Fallenmoden mit unterschiedlichen Energien gleich stark verstärkt werden, führt Quanteninterferenz zur Ausbildung räumlicher Spinstrukturen und somit zu einer spontanen Brechung der lokalen Magnetisierung.
Die ersten Experimente mit atomaren Bose-Einstein Kondensaten (BEK) wurden in magnetischen Fallen durchgeführt.Das Magnetfeld dieser Fallen führt zu einer Polarisierung der atomaren Spins und somit zu einem Einfrieren des Spinfreiheitsgrades. Optische Dipolfallen erlauben hingegen beliebige Spinorientierungen.Der Spinfreiheitsgrad von quantenentarteten Spinorgasen führt zu unzähligen neuen physikalischen Phänomenen.Das Hauptmerkmal von ultrakalten Spinorgasen sind spinändernde Zweiteilchenstöße, bei denen sich die z-Komponente der Einteilchenspins ändert, während die z-Komponente des Zweiteilchenspins erhalten bleibt.Das Wechselspiel dieser spinändernden Stöße mit dem Zeemaneffekt und dem inhomogenen Fallenpotential führt zu einer Reihe neuartiger Phänomene im Hinblick auf die Struktur des Grundzustandes, der Ausbildung von Spinstrukturen und Domänenwänden, sowie der kohärenten Spindynamik.Erst kürzlich wurde gezeigt, dass Spinor BEK die Beobachtung makroskopischer Quantenphänomene erlauben, welche der aus der Quantenoptik bekannten parametrischen Verstärkung sehr ähnlich sind.Die Untersuchung dieses Effekts ist der Schwerpunkt dieser Arbeit.In dieser Dissertation wird die Spindynamik von atomaren 87 Rb BEK mit Spin 1 oder 2 untersucht, welche im Spin-Anfangszustand |m = 0 präpariert wurden.Ein charakteristisches Merkmal der Dynamik ist die stoßinduzierte Erzeugung korrelierter Atompaare in den Spin-Zuständen |m = ±1 .Dieser Prozess ist auf das Engste mit der parametrischen Verstärkung verwandt, welche aus der Quantenoptik bekannt ist.Ich zeige, dass die Spindynamik eine faszinierende multiresonante Magnetfeldabhängigkeit aufweist, welche durch die Inhomogenität der Falle induziert wird.Diese Magnetfeldabhängigkeit ist direkt verknüpft mit der Instabilität der Spin-Bogoliubov-Moden des BEK im Spin-Anfangszustand |m = 0 .Die genaue Analyse der Magnetfeldabhängigkeit der Instabilität der Spin-Bogoliubov-Moden zeigt, dass das optische Fallenpotential einen entscheidenden Einfluss auf die Effizienz der Paarerzeugung hat.Ich untersuche außerdem im Detail den Auslösemechanismus der Spindynamik, welcher durch die unvermeidbare Präsenz störender Saatatome und durch Quantenfluktuationen gegeben ist.Es lässt sich aber zeigen, dass der Einfluss von Saatatomen auf das System unter bestimmten Bedingungen vernachlässigbar ist, wodurch die Dynamik ausschließlich durch Quantenfluktuationen ausgelöst wird.Es wird weiterhin gezeigt, dass magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkungen einen entscheidenden Einfluss auf die Dynamik von Spin-1 87 Rb BEK haben, obwohl diese in Alkaligasen typischerweise sehr schwach sind.Allerdings ist die Stärke der spinändernden Stöße in Spin-1 87 Rb ebenfalls sehr schwach und dadurch von vergleichbarer Größenordnung.Wir zeigen, dass magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zu einer starken Abhängigkeit der Verstärkungsdynamik vom Winkel zwischen der Achse der zigarrenförmigen Falle und dem angelegten Magnetfeld führen.Wir untersuchen außerdem den wichtigen Einfluss von Magnetfeldgradienten auf den Verstärkungsprozess, welcher von vergleichbarer Größenordnung sein kann.Für den zweifelsfreien Nachweis des Einflusses der magnetischen Dipol-Dipol-Wechselwirkung ist deshalb in zukünftigen Experimenten eine genaue Kontrolle der Magnetfeldgradienten unerlässlich.Ich zeige schließlich, dass in einer axialsymmetrischen Falle sowohl die räumliche als auch die Spinsymmetrie des Hamiltonians während der parametrischen Verstärkung der Quantenfluktuationen spontan gebrochen sein kann.Die axiale Symmetrie ist immer dann gebrochen, wenn entartete Fallenmoden maximal verstärkt werden, während in diesen Fällen die Spinsymmetrie erhalten bleibt.Wenn hingegen Fallenmoden mit unterschiedlichen Energien gleich stark verstärkt werden, führt Quanteninterferenz zur Ausbildung räumlicher Spinstrukturen und somit zu einer spontanen Brechung der lokalen Magnetisierung.
Einer der faszinierenden Aspekte der Bose-Einstein-Kondensation ist, dass sie selbst in idealen, d.h. wechselwirkungsfreien, Bose-Gasen auftritt, wodurch sie sich grundlegend von allen Phasenübergängen unterscheidet, bei denen eine langreichweitige Ordnung des Systems durch Wechselwirkung erzeugt wird - wie beispielsweise beim Ferromagnetismus. Viele der Schwierigkeiten, die sich bei der experimentellen Realisierung der Bose-Einstein-Kondensation ergeben haben, haben ihren Ursprung darin, dass es tatsächlich nur wenige physikalische Systeme gibt, die einem idealen Bose-Gas nahe kommen: So ist supraflüssiges Helium recht weit entfernt von einem idealen Bose-System, was sich unter anderem daran zeigt, dass hier der Besetzungsgrad des Grundzustands auf 8% limitiert ist. Atomare Gase sind nur bei extrem starker Verdünnung schwach wechselwirkend. Die in typischen Experimenten mit ultrakalten Alkaligasen verwendeten geringen Dichten ziehen extrem kleine Übergangstemperaturen nach sich, was erhebliche Ansprüche an die verwendeten Kühltechniken stellt. Das vielleicht beste Beispiel eines idealen Bose-Gases ist die Schwarzkörperstrahlung. Die Schwarzkörperstrahlung zeigt allerdings keine Bose-Einstein-Kondensation bei niedrigen Temperaturen, was daran liegt, dass hier nicht nur die spektrale Verteilung der Photonen von der Temperatur abhängt, sondern auch die Photonenzahl insgesamt. Wenn die Temperatur abgesenkt wird, so verringert sich gleichzeitig die Photonenzahl und verhindert damit das Auftreten einer Kondensation. Ein verändertes Tieftemperaturverhalten ergäbe sich nur dann, wenn Thermalisierungsprozesse gefunden werden könnten, bei denen die Photonenzahl erhalten bleibt. Vorgeschlagen wurde beispielsweise ein Thermalisierungsprozess durch Photon-Photon-Stöße in einem nichtlinearen Medium und auch die momentan viel beachteten Experimente zur Kondensation von Exziton-Polaritonen, bei denen ebenfalls binäre Stöße einen Thermalisierungsprozess bewirken, können in diesem Zusammenhang genannt werden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen zur Thermodynamik von paraxialem Licht in einem Farbstoff-Mikroresonator. Durch Kontakt mit einem Wärmebad (mehrfache Absorptions-Emissionszyklen in einem Farbstoff) gelangt das Licht in ein thermisches Gleichgewicht mit dem Resonatoraufbau und übernimmt so dessen Temperatur (Raumtemperatur). Anders als in einem Schwarzkörperstrahler ist im vorliegenden Experiment die Dynamik der Photonen durch die modifizierte Spontanemission im Mikroresonator auf Änderungen der transversalen Freiheitsgrade beschränkt. Formal wird das Photonengas dadurch äquivalent zu einem zweidimensionalen atomaren Bose-Gas, das zudem effektiv einem Fallenpotential unterworfen ist. Darüber hinaus verläuft der Thermalisierungsprozess photonenzahlerhaltend, d.h. anders als in einem Schwarzkörper wird die Photonenzahl nicht durch die Temperatur eingestellt. Experimentell kann die Thermalisierung des Photonengases durch die Beobachtung thermisch verteilter optischer Frequenzen im Mikroresonator (Bose-Einstein-Verteilung), sowie einer räumlichen Relaxierung der Photonen in das Fallenzentrum nachgewiesen werden. Ab einer bestimmten Photonenzahl im Resonator kann zudem ein Sättigungsverhalten der transversal angeregten Photonenzustände festgestellt werden, begleitet von einer makroskopischen Besetzung des transversalen Grundzustands. Die experimentell ermittelte Photonenzahl, bei der die Kondensation einsetzt ist, entspricht sehr genau der kritischen Teilchenzahl, die man für eine Bose-Einstein-Kondensation theoretisch erwarten würde. Auch die erwartete Abhängigkeit von den Geometrieparametern des Resonators kann experimentell bestätigt werden. Außerdem kann aufgrund der räumlichen Relaxierung der Photonen auch dann eine Kondensation im Fallenzentrum beobachtet werden, wenn das Pumplicht keinen Überlapp mit dem Grundmoden besitzt. Diese experimentellen Beobachtungen lassen den Schluss zu, dass in der vorliegenden Doktorarbeit erstmals ein Gleichgewichtsphasenübergang in einem Photonengas beobachtet wurde, der im engeren Sinn als Bose-Einstein-Kondensation von Licht zu betrachten ist.
Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Bose-Einstein-Kondensaten (BEC) in einschließenden optischen Dipolpotentialstrukturen, mit dem Ziel, die Interferometrie von geführten BECs und die Entwicklung von komplexen Leiterstrukturen für BECs zu untersuchen. Die Basis der vorgestellten Experimente bilden 87-Rubidiumatome, die in einer gekreuzten Dipolfalle gefangen werden und dort mittels evaporativer Kühlung in die Kondensatphase überführt werden. Dieses Kondensat aus 20000 Atomen wird anschließend in lineare oder ringförmige Dipolpotentialstrukturen umgeladen. Im ersten Teil der Arbeit wird ein System vorgestellt, welches, durch gezieltes Programmieren von phasenstabilen Referenzoszillatoren, die Kontrolle der Phaseninformation eines Atominterferometers in einem linearen Wellenleiter erlaubt. Mit Hilfe einer neuartigen Fourieranalyse der dabei gewonnenen Messdaten ist es möglich, eine robuste Definition des Interferometerkontrastes zu liefern, was wiederum Grundlage zur Bestimmung der Kohärenzzeit von 3.3 ms der Wellenfunktion in diesem System ist. Ebenso lässt sich mit der Methode erstmals ein Streifenabstand der Interferenzmuster im Dichteprofil ermitteln, welcher größer als die Ausdehnung der Dichteverteilung selbst ist. Dies ermöglicht es, den Zusammenhang von räumlicher Interferenzfrequenz, Phasengradient des Kondensats, relativer Position und Relativgeschwindigkeit der Interferometerarme sehr genau zu untersuchen. Damit wird der zeitliche Verlauf der Atom-Atom-Wechselwirkung im Wellenleiter unter Einfluss der Delta-Kick Kollimation qualitativ wiedergegeben. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Effekt der konischen Refraktion ausgenutzt, um neuartige Potentialgeometrien für Bose-Einstein-Kondensate zu etablieren. Dabei wird eine theoretische Beschreibung der konischen Refraktion vorgestellt, die den Einfluss der räumlichen Strukturierung des Eingangslasersstrahls in einen biaxialen Kristall auf die Lichtverteilung beschreibt. In Form einer Mikrospiegeleinheit zur Strahlmanipulation wird ein System vorgestellt, welches die zuvor beschriebenen Lichtfelder experimentell erzeugen kann. Die dabei gewonnenen Messdaten werden vorgestellt und es wird gezeigt, dass sie in sehr guter Übereinstimmung mit dem theoretischen Modell stehen. Die so erzeugten Lichtfelder werden für das Speichern und Führen von Bose-Einstein-Kondensaten eingesetzt. Durch zeitliche Änderung der Blendenbilder auf der Mikrospiegeleinheit kann die Potentialgeometrie dynamisch verändert werden, wobei die Kohärenz der eingeschlossenen Kondensate erhalten bleibt. Ausgehend von einem harmonischen Potentialeinschluss wird durch eine solche Potentialtransformation eine ringförmige Kondensatverteilung erzeugt. Außerdem wird demonstriert, dass es mit dem System möglich ist, Rotationsbewegung auf ein Bose-Einstein-Kondensat zu übertragen.
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.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, kohärenten Transport von Bose-Einstein Kondensaten mit repulsiver Atom-Atom Wechselwirkung in mesoskopischen magnetischen Wellenleiterstrukturen auf dem Niveau der Gross-Pitaevskii Gleichung wellenmechanisch zu untersuchen. Wir geben zunächst einen Überblick über die grundlegenden Konzepte zur Erzeugung magnetischer Materiewellenleiter, zeigen Wege auf, Quantenpunktkontakte und Quantenpunkte in Wellenleitern zu realisieren und entwickeln ein phänomenologisches Modell für magnetisch induzierte Unordnungspotentiale. Ein zentrales Thema dieser Arbeit stellt die Entwicklung neuer Methoden zur Beschreibung von Transport eines Kondensats durch Wellenleitergeometrien dar. Wir zeigen ein Verfahren auf, das eine systematische Untersuchung von stationären Streuzuständen in Wellenleitern mit Streupotentialen ermöglicht. Zudem entwickeln wir eine konzeptionelle Erweiterung der aus der linearen Quantenmechanik wohlbekannten Größen von Reflexions- und Transmissionskoeffizienten; dies erlaubt es, Transmission und Reflexion auch für die nichtlineare Gross-Pitaevskii Gleichung eindeutig zu definieren. Um eine vollständige Beschreibung des Kondensattransportes zu erhalten, untersuchen wir zeitabhängige Streuprozesse und führen eine Methode ein, die die Ankopplung eines Wellenleiters an ein mit Kondensat gefülltes Reservoir simuliert, aus dem Materiewellen in den Wellenleiter injiziert werden.Damit wird die realistische Simulation eines kohärenten Flusses von Bose-Einstein Kondensaten durch einen Wellenleiter möglich. Wir untersuchen mit diesen Methoden den Transport eines Kondensats durch drei exemplarisch ausgewählte Potentialstrukturen: Wir zeigen zunächst, dass eine repulsive Atom-Atom Wechselwirkung zu einer Verminderung der Transmission durch einen Quantenpunktkontakt führt. In einem zweiten Schwerpunkt untersuchen wir Transport durch ein symmetrisches Doppelbarrierenpotential, das als Quantenpunkt angesehen werden kann. In diesem Zusammenhang diskutieren wir die Existenz von resonanten Transportmoden und Bistabilitäten im Transmissionsspektrum. Schließlich untersuchen wir den Transport durch Wellenleiter mit Unordnungspotentialen. Für schwache Unordnungspotentiale und moderate interatomare Wechselwirkungen entwickeln wir einen analytischen Zugang zur Berechnung von Transmissionskoeffizienten und identifizieren ein semiklassisches Regime, das eine nahezu perfekte Transmission durch die Unordnungsregion erlaubt. Im Regime von starker Unordnung und starken Atom-Atom Wechselwirkungen zeigen wir, dass in Unordnungspotentialen, die eine kritische Länge überschreiten, keine stationären Streuzustände mehr besetzt werden, sondern der Kondensatfluss eine stark zeitabhängige Dynamik aufweist.
Seit der ersten experimentellen Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats (BEC), erfuhr das Feld der atomaren Quantengase eine rasante Entwicklung und stellt heute eines der spannendsten und interdisziplinärsten Feldern in der Atomphysik dar. Die Eigenschaften dieser Gase werden hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen bzw. Molekülen bestimmt, die in den bisher realisierten Kondensaten durch die Kontaktwechselwirkung dominiert wird. Theoretisches und experimentelles Interesse richtet sich seit kurzem auf weitere Wechselwirkungen in diesen entarteten Gasen. Insbesondere wurde die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol-Wechselwirkung in einem Quantengas, das aus in einem externen Feld ausgerichteten Dipolen besteht, theoretisch untersucht. Im Hinblick auf die Realisierung eines dipolaren atomaren Quantengases stellt Chrom dabei ein äußerst Erfolg versprechendes Element dar. Im Vergleich zu bisherigen BEC-Experimenten, in denen meist Alkali-Atome verwendet wurden, ist die Dipol-Dipol-Wechselwirkung um einen Faktor 36 größer und in seiner Stärke mit der Kontakt-Wechselwirkung vergleichbar. Ein wesentlich stärkeres Dipolmoment wird bei einem im elektrischen Feld ausgerichteten Cr-Rb-Molekül erwartet. In einem solchen Molekülgas wird die Wechselwirkung durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung dominiert. Zur Erzeugung solcher Quantengase wurde in dieser Arbeit ein neuer Aufbau konzipiert und realisiert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung ultrakalter, klassischer, bosonischer Cr-Gase, die zur Erzeugung eines dipolaren BECs dienen sollen. Ausgehend von einem lasergekühlten, magnetisch gespeicherten Cr-Ensemble wird in dieser Arbeit die Dipol-Dipol-Wechselwirkung in diesem ultrakalten, dipolaren Gas experimentell studiert. Die theoretische Beschreibung durch die Streuung zweier Dipole führt dabei zu einem sehr allgemeinen Verständnis der Streuprozesse in dipolaren Gasen. In dieser Arbeit wird experimentell und theoretisch gezeigt, dass bereits bei einem magnetischen Moment von sechs Bohrschen Magnetonen aufgrund von dipolaren Relaxationsstößen die Kondensation durch Evaporation der Cr-Atome in einer Magnetfalle nicht möglich ist. Die aus den Streuexperimenten gewonnenen Erkenntnisse bilden nun die Grundlage zur Entwicklung einer sehr aussichtsreichen Strategie. Dabei soll die Kondensation durch Verdampfungskühlen in einer optischen Falle im energetisch tiefsten Zustand der Dipole erfolgen, in dem keine Spinrelaxationsprozesse mehr möglich sind. Durch die Implementation dieses neuen Fallentyps für Cr wird somit eine entscheidende Hürde auf dem Weg zu einem BEC genommen. Obwohl es in dieser Arbeit noch nicht gelingt, die Atome in dieser Falle im energetische tiefsten Zustand zu polarisieren, können zwei Konzepte demonstriert werden, mit denen die Kondensation in diesem Fallentyp erreicht werden kann. Mit ersten Experimente an kombinierten Cr-Rb-Fallen wird in einem weiteren Teil dieser Arbeit ein neues Forschungsprojekt begonnen mit dem Ziel, ein entartetes heteronukleares Molekülgas aus einem zweikomponentigen entarteten Quantengas zu erzeugen. Es werden erste Resultate zum simultanen Betrieb zweier magneto-optischer Fallen (MOT) und dem überlagerten Betrieb von Rb-MOT und Cr-Magnetfalle vorgestellt.
Magnetfallen für neutrale Atome sind ein zentrales Werkzeug zur Erzeugung und Manipulation von Bose-Einstein-Kondensaten. Ziel dieser Arbeit war es, bestehende Konzepte zur Verwirklichung magnetischer Fallen weiterzuentwickeln und zur Durchführung neuer Experimente zu nutzen.In speziell geformten Fallen ist es in jüngster Zeit gelungen, Kondensate in einer oder zwei Raumrichtungen so stark einzuschlieÿen, dass ihr Verhalten sich dem zweidimensionaler oder eindimensionaler Systeme nähert.Daher ist das Studium niederdimensionaler Systeme ultrakalter Atome und ihrer Eigenschaften gegenwärtig ein hochaktuelles Feld, in dem sich Theorie und Experiment intensiv befruchten.Die Hauptschwerpunkte dieser Arbeit sind die Weiterentwicklung der Magnetfallentechnik und die Nutzung einer optimierten Magnetfalle zum Studium von Eekten der Eindimensionalität in Bose-Einstein-Kondensaten. Es wurde eine neuartige Magnetfalle, die 8-Dee-Falle, entworfen und aufgebaut.Dieser neue Fallentyp ermöglicht es, die Vorzüge verschiedener existierender Magnetfallen zu kombinieren.Er bietet den exzellenten optischen Zugang bestehender Fallentypen b e i gleichzeitig verbesserter Ezienz der Erzeugung des Einschlusses und verbessertem Abschaltverhalten.Die Kombination dieses Fallentyps mit dem Kühlkonzept der von auÿen wasserumspülten Drähte reduziert den Betriebsaufwand und erhöht die Stabilität der Falle.Die 8-Dee-Falle wurde erfolgreich in Experimenten zur Untersuchung von Spinor-Bose-Einstein-Kondensaten eingesetzt und dient bereits als Prototyp für weitere Fallen ihres Typs.Den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit stellt der Nachweis von Eekten der Eindimensionalität in sehr elongierten und kleinen Kondensaten dar.Insbesondere konnte erstmals experimentell gezeigt werden, dass die Frequenz der niedrigen m=0-Quadrupol-Oszillationsmode beim Übergang zu einem radial auf den Grundzustand eingeengten System ansteigt.Diese Ergebnisse erschlieÿen experimentell einen neuen Parameter zur Charakterisierung der Eindimensionalität.