Mit der Entwicklung atomarer Frequenznormale wurden Frequenzen und Zeitdifferenzen zu den derzeit am genauesten messbaren physikalischen Grössen.Eine der vielversprechendsten Entwicklungen auf dem Weg zu immer genaueren Frequenznormalen basiert auf der Nutzung schmaler optischer Übergänge in laser-gekühlten und in elektrischen Hochfrequenzfallen gespeicherten Ionen als Frequenzreferenzen.Diese optischen Einzelionenfrequenznormale haben das Potential geringere Instabilitäten und systematische Unsicherheiten zu erreichen als die derzeit besten verfügbaren Mikrowellennormale.Als möglicher Kandidat für ein solches optischen Frequenznormal wurde im Rahmen dieser Arbeit der 2 S 1/2 (F = 0, m F = 0) → 2 D 3/2 (F = 2, m F = 0) elektrische Quadrupolübergang in einem einzelnen, in einer Paul Falle gespeicherten, laser-gekühlten 171 Yb + Ion untersucht.Frequenzvergleiche zwischen zwei dieser Normale werden verwendet, um die Instabilitätseigenschaften und die systematischen Unsicherheiten des Frequenznormals zu untersuchen.Zu diesem Zweck wurde zusätzlich zu einem bereits existierenden Ionenfallensystem ein weiteres aufgebaut.Eine Instabilität in Form einer Allan Standardabweichung von σ y (t) 1.1 • 10 -14 t -1 2 der Frequenzdifferenz zwischen den beiden Frequenznormalen konnte demonstriert werden.Die gemessene Instabilität ist nahe an der Stabilitätsgrenze, die sich aus numerischen Simulationen ergibt, die als einzige Rauschquelle das Quantenprojektionsrauschen enthalten.Die mittlere relative Frequenzdifferenz zwischen den beiden Frequenznormalen von 3.8(6.1)• 10 -16 ist vergleichbar mit den besten Ergebnissen, die bisher mit Cäsium Fontänen Uhren erreicht wurden.Zwei systematische Effekte, der quadratische Stark Effekt und die Quadrupolverschiebung, wurden im Detail untersucht und die zugehörigen atomaren Parameter wurden erstmals experimentell bestimmt.Für den quadratischen Stark Effekts wurden die Werte der statischen atomaren elektrischen Skalar-und Tensorpolarisierbarkeiten Δα S = -6.9(1.4)• 10 -40 Jm 2 /V 2 und α T (D 3/2 ) = -13.6(2.2) • 10 -40 Jm 2 /V 2 gemessen.Der Wert des Quadrupolmoments Θ(D 3/2 ) = 9.32(48) • 10 -40 Cm 2 des 2 D 3/2 Zustands wurde bestimmt, in guter Übereinstimmung mit theoretischen Berechnungen.Aus Abschätzungen für alle bekannten systematischen Unsicherheiten des Frequenznormals ergibt sich für den gegenwärtigen Stand des Experimentes eine relative systematische Unsicherheit von 1.0 • 10 -15 .Es werden experimentelle Methoden vorgestellt, die es ermöglichen werden die relative Unsicherheit im Lauf der nächsten Jahre bis in den 10 -17 Bereich zu reduzieren.
Mit der Entwicklung atomarer Frequenznormale wurden Frequenzen und Zeitdifferenzen zu den derzeit am genauesten messbaren physikalischen Grössen.Eine der vielversprechendsten Entwicklungen auf dem Weg zu immer genaueren Frequenznormalen basiert auf der Nutzung schmaler optischer Übergänge in laser-gekühlten und in elektrischen Hochfrequenzfallen gespeicherten Ionen als Frequenzreferenzen.Diese optischen Einzelionenfrequenznormale haben das Potential geringere Instabilitäten und systematische Unsicherheiten zu erreichen als die derzeit besten verfügbaren Mikrowellennormale.Als möglicher Kandidat für ein solches optischen Frequenznormal wurde im Rahmen dieser Arbeit der 2 S 1/2 (F = 0, m F = 0) → 2 D 3/2 (F = 2, m F = 0) elektrische Quadrupolübergang in einem einzelnen, in einer Paul Falle gespeicherten, laser-gekühlten 171 Yb + Ion untersucht.Frequenzvergleiche zwischen zwei dieser Normale werden verwendet, um die Instabilitätseigenschaften und die systematischen Unsicherheiten des Frequenznormals zu untersuchen.Zu diesem Zweck wurde zusätzlich zu einem bereits existierenden Ionenfallensystem ein weiteres aufgebaut.Eine Instabilität in Form einer Allan Standardabweichung von σ y (t) 1.1 • 10 -14 t -1 2 der Frequenzdifferenz zwischen den beiden Frequenznormalen konnte demonstriert werden.Die gemessene Instabilität ist nahe an der Stabilitätsgrenze, die sich aus numerischen Simulationen ergibt, die als einzige Rauschquelle das Quantenprojektionsrauschen enthalten.Die mittlere relative Frequenzdifferenz zwischen den beiden Frequenznormalen von 3.8(6.1)• 10 -16 ist vergleichbar mit den besten Ergebnissen, die bisher mit Cäsium Fontänen Uhren erreicht wurden.Zwei systematische Effekte, der quadratische Stark Effekt und die Quadrupolverschiebung, wurden im Detail untersucht und die zugehörigen atomaren Parameter wurden erstmals experimentell bestimmt.Für den quadratischen Stark Effekts wurden die Werte der statischen atomaren elektrischen Skalar-und Tensorpolarisierbarkeiten Δα S = -6.9(1.4)• 10 -40 Jm 2 /V 2 und α T (D 3/2 ) = -13.6(2.2) • 10 -40 Jm 2 /V 2 gemessen.Der Wert des Quadrupolmoments Θ(D 3/2 ) = 9.32(48) • 10 -40 Cm 2 des 2 D 3/2 Zustands wurde bestimmt, in guter Übereinstimmung mit theoretischen Berechnungen.Aus Abschätzungen für alle bekannten systematischen Unsicherheiten des Frequenznormals ergibt sich für den gegenwärtigen Stand des Experimentes eine relative systematische Unsicherheit von 1.0 • 10 -15 .Es werden experimentelle Methoden vorgestellt, die es ermöglichen werden die relative Unsicherheit im Lauf der nächsten Jahre bis in den 10 -17 Bereich zu reduzieren.
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.
Mit ihren relativen Instabilitäten und Ungenauigkeiten von nur noch wenigen 10^-18 übertreffen optische Frequenzstandards bereits heutzutage die derzeit besten Mikrowellen-Atomuhren um mehrere Größenordnungen. Neben der präzisen Zeitmessung gerät auf diesem Niveau die Beantwortung fundamentaler physikalische Fragestellungen sowie die relativistische Geodäsie in greifbare Nähe. Im Falle optischer Gitteruhren wird ein Ensemble lasergekühlter neutraler Atome in einem optischen Gitter spektroskopiert. Damit das Gitterlicht die Genauigkeit der Abfrage nicht limitiert, ist dazu der Betrieb bei der magischen Wellenlänge notwendig. Hier ist die Polarisierbarkeit beider Uhrenzustände in erster Ordnung identisch, sodass die über den AC-Stark-Effekt induzierte differentielle Energieverschiebung verschwindet. In dieser Arbeit wurde erstmalig eine Gitteruhr basierend auf bosonischem Magnesium-24 realisiert. Im Vergleich zu den besten gitterbasierten Frequenzstandards mit Strontium und Ytterbium, ist Magnesium um etwa eine Größenordnung weniger sensitiv auf Schwarzkörperstrahlung. Diese über die Umgebungstemperatur verursachte Systematik stellt bei Raumtemperatur den größten frequenzverschiebenden Beitrag bei Strontium sowie Ytterbium dar und begrenzte lange Zeit auch deren Unsicherheit. Einer der Kernpunkte dieser Arbeit behandelt die Untersuchung und Minimierung von frequenzverbreiternden Mechanismen bei der Spektroskopie. Zu Beginn betrug die auflösbare Übergangslinienbreite, bedingt durch Tunneln im Gitter, mehrere kHz. Dies konnte durch ein verbessertes Gitterlasersystem gelöst werden, mit dem nun Gittertiefen von mehr als 42 ER realisierbar sind. In diesem Regime beträgt der alleinige Einfluss durch Tunnelverbreiterung nur noch bei 24 Hz, sodass weitere Verbreiterungsmechanismen in den Vordergrund treten – allem voran die Anregungsfelder sowie die Zustandspräparation im Gitter. Konsequenterweise wurden der Uhrenlaser, das benötigte Magnetfeld und die Gitterbesetzung untersucht und deren Homogenität bestmöglich sichergestellt. Anhand dieser Verbesserungen ist eine minimale Linienbreite von 51(3) Hz demonstriert worden, womit sich der beste für Magnesium realisierte Gütefaktor zu Q = 1,3×10^13 bestimmt. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der atomaren Anbindung des Uhrenlasers sowie der Stabilitätsuntersuchung. In einem Selbstvergleich konnten so Instabilitäten von nur noch 5,1 +2,9/-1,1×10^-16 demonstriert werden. Das Integrationsverhalten war dabei vollständig durch Detektionsrauschen limitiert und lag mit 1,1×10^-14 (t/s)^(-1/2) noch deutlich über dem Dick-Limit von 1×10^-15 (t/s)^(-1/2). Aufgrund der starken Gleichtaktunterdrückung im Selbstvergleich, kann die Instabilität der Magnesium-Gitteruhr allerdings nicht unverfälscht bestimmt werden. Daher sind Stabilitätsanalysen gegen unabhängige Frequenzstandards der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig durchgeführt worden. Dazu kam ein 73 km langer Faserlink zum Einsatz, welcher der Leibniz Universität Hannover den für Universitäten einzigartigen Zugang zu einem wachsenden europäischen Frequenznetzwerk gewährt. Im Vergleich gegen eine Strontium-Gitteruhr wurde beobachtet, dass die Instabilität von Magnesium bei etwa 2×10^-15 begrenzt ist. Als Ursache sind Schwankungen in der Uhrenlaserleistung und damit einhergehende AC-Stark-Variationen identifiziert worden. Über die in situ Bestimmung dieser Abweichungen mit anschließender Nachkorrektur, konnte die Instabilität in einer zweiten Messung gegen eine Ytterbium-Ionenuhr auf 7,7 +5,0/-1,3×10^-16 reduziert werden. Dies stellt die geringste jemals mit Magnesium demonstrierte Instabilität in einer Frequenzmessung dar.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein optisches Calcium-Frequenznormal bei 657 nm erstmals mit ultrakalten Calcium-Atomen (12 µK) realisiert und die Übergangsfrequenz mit Hilfe eines Frequenzkamm-Generators mit der zur Zeit weltweit geringsten Unsicherheit von 1,2 • 10 -14 bestimmt.Bisher maßgebliche Beiträge zur Unsicherheit des Frequenznormals konnten reduziert werden.So konnte durch den Einsatz ultrakalter Atome der Einfluss des Doppler-Effekts auf 1 Hz verringert werden.Durch Verbesserungen der Lasersysteme und durch die Optimierung der Quenchkühlung wurden Ensemble-Dichten von bis zu 4 • 10 10 cm -3 erreicht.Dies ermöglichte es, in Kombination mit dem empfindlicheren Nachweis von Frequenzverschiebungen durch Verwendung eines zustandsselektiven Detektionsschemas, den Beitrag von Stößen zur Unsicherheit auf 0,06 Hz (1,3 • 10 -16 ) zu reduzieren.Eine weitergehende Untersuchung von Stößen mittels Photoassoziations-Spektroskopie erlaubte die Beschränkung der möglichen Werte für die Grundzustands-Streulänge auf das Intervall von 50 a 0 bis 300 a 0 .Erstmals wurden Frequenzverschiebungen durch den zeitlichen Verlauf der Laserphase in den zur Abfrage des Uhrenübergangs benutzten Laserpulsen quantitativ untersucht und korrigiert.Der zweite Teil der Arbeit enthält erste Untersuchungen zur Realisierung einer optischen Gitteruhr mit Calcium-Atomen, die das Potenzial zur Realisierung noch kleinerer Unsicherheiten bietet.Es wurde gezeigt, dass die zur Kühlung der Atome benutzte Methode der Quenchkühlung geeignet ist, die Atome im rein konservativen Potenzial einer optischen Dipolfalle zu akkumulieren.Durch Messungen der Frequenzverschiebung des Uhrenübergangs durch den dynamischen Stark-Effekt konnten die " magischen Wellenlängen" für die Interkombinationsübergänge zum 3 P 1 -Niveau und zum 3 P 0 -Niveau bestimmt werden.
Ziel der hier vorliegenden Arbeit war es, ein einzelnes in einer Ionenfalle gespeichertes Kalziumion als Meßsonde fuer das elektromagnetische Feld eines optischen Resonators zu verwenden. Bei einer Anregungswellenlaenge von 397 nm konnte das Feld mit einer Aufl¨osung von 60 nm unterhalb der Beugungsgrenze vermessen werden. Die untere Grenze der Aufloesung wird bei Verwendung eines gespeicherten Ions nur durch die Ausdehnung der Wellenfunktion des Ions im Schwingungsgrundzustand des Fallenpotentials bestimmt und kann bei Kuehlung des Ions in den Schwingungsgrundzustand weniger als 10 nm betragen. Die Aufloesungsgrenze von 60 nm war aufgrund der Doppler-Kuehlung durch die Restbewegung des Ions bestimmt. Aufloesungen unterhalb der Beugungsgrenze werden auch bei der Nahfeld- Mikroskopie erreicht, wobei die Aufl¨osung durch die Groeße der Meßsonde gegeben ist. Durch die Verwendung einzelner Molekuele als Meßsonde wurden Aufloesungen unter 100 nm erzielt. Gemessen wird die Intensitaetsverteilung des optischen Nahfeldes durch Detektion des Fluoreszenzlichtes, das vom Molek¨ul in Abhaengigkeit seiner Position emittiert wird. Um die Position des Molekuels relativ zur Probe kontrollieren zu koennen, muß das Molekuel in einer Kristallmatrix oder auf einem Substrat fixiert werden mit dem Nebeneffekt, daß das zu messende Feld veraendert wird. Diese unerwuenschte Beeinflussung der Meßgr¨oße durch die Messung wird bei der Vermessung des Feldes mit einem einzelnen Ion in einer Ionenfalle vermieden. Das zu diesem Zweck entwickelte System aus linearer Ionenfalle und optischem Resonator ermoeglicht es, die relative Position zwischen Ion und elektromagnetischem Feld auf Bruchteile der Wellenl¨ange des Feldes festzulegen und so die unverfaelschte Feldverteilung mit hoher Aufloesung dreidimensional zu vermessen. Die genaue relative Positionierung von Ion und Resonatormode impliziert dabei die praezise Kontrolle der Kopplung zwischen einem einzelnen Ion und dem elektromagnetischen Feld einer Resonatormode. Das hier vorgestellte System bietet demzufolge auch ideale Voraussetzungen, um Resonator-Quantenelektrodynamik mit einzelnen Ionen durchzufuehren. Experimente, die die Wechselwirkung einzelner Atome mit dem elektromagnetischen Feld einer Resonatormode untersuchen, verwenden bis heute Atome, die den Resonator durchqueren oder im Umkehrpunkt eines atomaren Springbrunnens fuer wenige Millisekunden im Resonatorfeld verweilen. Diese Messungen beinhalten also immer eine Mittelung ueber die tats¨achlich im Resonatorfeld befindlichen Atome und ihre unterschiedliche Kopplung an das Resonatorfeld. Die Atomstatistik zerstoert in diesen Experimenten im allgemeinen nichtklassische Effekte, die in einem idealen System aus einzelnem Atom und Resonatorfeld theoretisch er- wartet werden. Die hier beschriebene Anordnung erlaubt dagegen, wie die dreidimensionale Vermessung einer Feldmode zeigt, daß eine exakte Kontrolle ueber die Ion-Feld Kopplung bei nahezu unbegrenzter Speicherzeit des Ions im Resonatorfeld erreicht wird. Auf den erzielten Ergebnissen aufbauend koennen Experimente im Bereich der starken Ion-Feld Kopplung durchgefuehrt werden, bei denen die oben erwaehnten Nachteile bisheriger Experimente nicht mehr vorhanden sind. Erstmals eroeffnet sich die Meoglichkeit der deterministischen Erzeugung von Ein- Photonen-Pulsen und der Konstruktion eines Lasers, der mit nur einem einzigen Ion als aktivem Medium betrieben werden kann. Zur Lokalisierung eines einzelnen Kalziumions im Resonatorfeld, wurde eine lineare Falle vom Typ eines Quadrupol-Massenfilters konstruiert. Entlang ihrer Achse ist diese Falle in mehrere Speicherzonen unterteilt, in denen jeweils ein einzelnes Kalziumion oder auch eine Kalziumionenwolke gespeichert werden kann. In einer Speicherzone wird die Falle geladen, waehrend die Experimente in einer 2,5 cm entfernten Zone durchgefuehrt werden, die zwischen den Spiegeln eines Resonators liegt. Auf diese Weise wird eine Aufladung der Spiegel und eine Bedampfung der hochreflektierenden Beschichtung waehrend des Ladens verhindert. Durch die Anordnung mehrerer Gleichspannungselektroden entlang der Fallenachse koennen Ionenwolken mit hoher Effzienz von der Laderegion in den Bereich zwischen den Resonatorspiegeln verschoben werden. Das Anlegen von Spannungspulsen an die Speicherelektroden der Falle ermoeglicht es, die Ionenzahl auf die gewuenschte Anzahl zu reduzieren. Die K¨uhlung der Ionen erfolgt ¨uber Dopplerkuehlung auf dem 2S1/2 ↔ 2P1/2 ¨Ubergang bei der Wellenl¨ange λ = 397 nm. Ein einzelnes Ion laeßt sich nun im Minimum des Fallenpotentials auf besser als λ/10 lokalisieren. Der optische Resonator besteht aus sphaerischen Spiegeln, die eine fuer 397 nm hochreflektierende dielektrische Beschichtung besitzen. Mit einer Finesse von 3000 und einem Spiegelabstand von 6 mm, lassen sich mit diesem Resonator Experimente im Bereich der schwachen Kopplung durchf¨uhren. Fuer die Durchfuehrung der zuvor erw¨ahnten Experimente im Bereich der starken Kopplung muß ein Resonator verwendet werden, dessen Spiegel bei 866 nm beschichtet sind und der eine Finesse von 30000 bis 300000 aufweist. Die Resonatorl¨ange wird aktiv stabilisiert, so daß die Transmission fuer einen eingekoppelten Laser bei 397 nm maximal wird. Auf diese Weise kann ein im Resonatorfeld befindliches Ion ueber die Resonatormode angeregt werden und das Fluoreszenzlicht des Ions, das den Resonator seitlich verlaeßt, kann zur Bestim- mung der Ion-Feld Wechselwirkung gemessen werden. Die Intensitaet der detektierten Fluoreszenz ist direkt proportional zur Intensit¨at des Resonatorfeldes, d. h. aus ihr kann die Intensitaet des optischen Feldes und die Position des Ions im Resonatorfeld bestimmt werden. Die Kopplung zwischen Ion und Resonatorfeld laeßt sich auf zwei Weisen einstellen. Zum einen kann das Ion durch das Anlegen einer Gleichspannung entlang der mikrobewegungsfreien Fallenachse verschoben werden. Die Verschiebung laeßt sich reproduzierbar einstellen, so daß die Lokalisierung des Ions auf besser als λ/10 waehrend des Verschiebevorgangs erhalten bleibt. Zum anderen ist der Resonator auf einem Piezotisch positioniert, so daß bei raeumlich fest lokalisiertem Ion jeder Punkt der Intensitaetsverteilung im Resonator mit dem Ort des Ions zum Ueberlapp gebracht werden kann. Eine Positionierung des Resonators relativ zum Ion ist noetig, da bei Ionenverschiebungen senkrecht zur Fallenachse die Lokalisierung des Ions auf besser als λ/10 aufgrund der Mikrobewegung im Fallenpotential nicht mehr erreicht werden kann. Die experimentelle Realisierung einer vollstaendigen Kontrolle ¨uber die Ion-Feld Kopplung wird eindrucksvoll demonstriert durch die Verwendung eines einzelnen Ions als nanoskopische Meßsonde zur Vermessung der Intensitaetsverteilung verschiedener Resonatormoden. Sowohl die Stehwellenverteilung entlang der optischen Achse als auch die transversale Verteilung einiger TEM Moden konnte mit hoher Aufloesung vermessen werden. Neben der Kontrolle der Kopplung eines einzelnen Ions ist es auch moeglich, einen Ionenkristall entlang der Achse durch die Resonatormode zu schieben. Hierzu wurde ein Zwei-Ionen-Kristall transversal durch eine TEM01 Mode geschoben. Die gemessene Flureszenzrate als Funktion der Schwerpunktsposition des Ionenkristalls zeigt, daß beide Ionen in je einem der Maxima der TEM01 Mode gleichzeitig lokalisiert werden koennen. Diese Kombination eroeffnet Anwendungen im Bereich der Quanteninformation. Realisierbar ist die Verschraenkung von Ionen, die Uebertragung eines Quantenzustandes von einem Ion auf das andere und die Ausfuehrung eines 2-Bit-Quanten-Gatters. Darueber hinaus ist es aufgrund der in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse vorstellbar, eine Ionenkette Ion fuer Ion durch die TEM00 Mode zu schieben und so Quantenzustaende von einem Ion auf ein anderes zu ¨ubertragen. Ebenso ist eine Uebertragung von Quantenzustaenden ueber große Entfernungen, d. h. von einem Resonator zu einem anderen, in den Bereich des Moeglichen gerueckt.
Die Kühlung neutraler Atome mit Hilfe von Laserlicht hat sich als wichtige experimentelle Technik in der Atom-und Quantenoptik etabliert.Mit dem Verfahren der Polarisationsgradientenkühlung werden Atome auf Temperaturen von wenigen Mikrokelvin, weit unterhalb des Dopplerlimits, gekühlt.Die vorliegende Arbeit befaßt sich systematisch mit zentralen Fragen zur Polarisationsgradientenkühlung in zwei Dimensionen und in Anwesenheit magnetischer und optischer Potentiale.Vor allem für neue Anwendungen der Laserkühlung neutraler Atome in Magnet-und Dipolfallen ist die hier untersuchte Thematik von grundlegender Bedeutung.Die Erweiterung der Polarisationsgradientenkühlung auf zwei Dimensionen ist nicht trivial.Das im allgemeinen aus drei oder vier Laserstrahlen erzeugte Polarisationsgradientenfeld besitzt keine Rotationssymmetrie.Dadurch kommt es zu einer Richtungsabhängigkeit der Laserkühlung.Im Rahmen dieser Arbeit konnten theoretisch vorhergesagte, charakteristische Impulsverteilungen der höherdimensionalen Laserkühlung mit einer Auflösung unterhalb der Photonenrückstoßgeschwindigkeit experimentell nachgewiesen werden.Dazu wurde die Dynamik der transversalen Kühlung eines langsamen Atomstrahls untersucht.Die theoretisch berechnete Zeitevolution der atomaren Geschwindigkeitsverteilung konnte qualitativ bestätigt werden.Das Polarisationsgradientenkühlen in Anwesenheit eines zusätzlichen Dipolpotentials ist im Hinblick auf die Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten mit rein optischen Verfahren wichtig.Hier wurde detailliert die zweidimensionale Kühlung eines atomaren Ensembles untersucht, das im starken Dipolpotential eines blau frequenzverstimmten Laguerre-Gauß Modes erster Ordnung (TEM * 01 ) eingeschlossen ist.Je nach Potentialstärke wurden bis zu achtzig Prozent der Atome auf sub-Dopplertemperatur gekühlt.Es zeigte sich, daß die Kühlung an Effizienz verliert, sobald der light shift des Fallenpotentials mit der Niveauverschiebung durch die optische Melasse vergleichbar ist.Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit Vorhersagen einer Quanten-Monte-Carlo Simulation, die in Zusammenarbeit mit einer niederländischen Forschungsgruppe entwickelt wurde.Ein homogenes statisches Magnetfeld kann die Dynamik der atomaren Bewegung in einem Polarisationsgradientenfeld entscheidend beeinflussen.Durch die Raman-Kopplung von Zeeman-Niveaus im bewegten Bezugssystem werden Teile des Ensembles auf verschiedene diskrete Geschwindigkeiten sub-Dopplergekühlt.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden erstmals Geschwindigkeitsselektive Resonanzen in zweidimensionalen Polarisationsgradientenfeldern untersucht.Durch die Kombination von optischer Melasse und statischen Magnetfeldern konnten atomare Gitterstrukturen im Impulsraum erzeugt werden.Die Verwendung dieses Kühlschemas gestattet es, die Dichteverteilung von Atomstrahlen gezielt zu strukturieren.Die Interpretation der Ergebnisse in der semiklassischen Näherung ergibt exzellente Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment.
Das Ziel dieser Arbeit war es 40Ca+-Ionen an einen optischen Resonator zu koppeln, um auf diese Weise Resonator-QED-Experimente, mit einer konstanten und deterministischen Kopplung durchzuf¨uhren. Als wichtigstes Ergebnis ist es erstmals gelungen, im kontinuierlichen Betrieb kontrollierte Lichtpulse zu erzeugen, die genau ein Photon enthalten. Zun¨achst war es unerl¨asslich, ein bestehendes Experiment weiter zu entwickeln, so wie wichtige Eigenschaften des 40Ca+-Ions zu vermessen. Dazu wurde die bisherige Falle durch eine verbesserte Ionenfalle ersetzt. Diese wurde charakterisiert, wobei insbesondere eine verbesserte Mikrobewegungskompensation nachgewiesen wurde. Zur Durchf¨uhrung der hier vorgestellten Experimente, wurde das bestehende Lasersystem weiterentwickelt und ein zus¨atzliches System aufgebaut. Zudem wurde der optische Resonator und dessen Stabilisierung den Anforderungen der Resonator-QED-Experimente angepasst. Um Aufladungen dielektrischer Materialien in der Fallenumgebung zu vermeiden, wurde die Photoionisation von Kalziumatomen implementiert und die Abh¨angigkeit der Ladeezienz von den Laserparametern bestimmt. Da aufgrund der reichhaltigen Niveaustruktur von 40Ca+-Ionen eine Vielzahl von Eekten auftreten, wurden die spektroskopischen Eigenschaften von 40Ca+-Ionen detailiert vermessen. Dazu geh¨ort neben den Anregungsspektren die Messung der Lebensdauer des D5/2 -Niveaus und die genaue Untersuchung des Hanle-Eekts zur Magnetfeld- Kompensation. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zudem die g(2)-Funktion der Fluoreszenz des Ions studiert. Auch die Ergebnisse dieser Messung spiegeln die komplexe Niveau-Struktur des Ions wieder. Da die Lokalisierung der Ionen in der Falle von großer Bedeutung ist und diese nur durch Laserk¨uhlung der Ionen in der Falle optimiert werden kann, wurde das Verhalten von 40Ca+-Ionen bei Dopplerk¨uhlung genauer untersucht. Neben dem K¨uhlen der Ionen ist auch die Mikrobewegung des Ions in der Falle f¨ur dessen Lokalisierung von essenziellem Interesse. Kombiniert man einen optischen Resonator mit einer Ionenfalle, so treten aufgrund der Verzerrung des Fallenfeldes Wechselwirkungen zwischen den Spiegeln und den Ionen auf, die zu Mikrobewegung f¨uhren. Dieser Eekt wurde vermessen und mit Simulationen des Fallenfeldes verglichen. Um die relative Lage des Ions zur Resonatormode zu bestimmen, wurde ein einzelnes 40Ca+-Ion als nanometrische Probe f¨ur das Resonatorfeld verwendet. Die bisher vorliegenden Daten dieses Experiments wurden im Rahmen dieser Arbeit erweitert und Eekte der Anregung auf die gemessene Fluoreszenzverteilung untersucht. Die genannten Messungen und Entwicklungen erm¨oglichten es letztendlich, Resonator-QED-Eekte nachzuweisen. In dieser Arbeit wurde die stimulierte Emission mehrerer und eines einzelnen Ions in die Resonatormode beobachtet. Desweiteren konnte der Einfluss des Resonators auf die Lebensdauer des P1/2 - Niveau demonstriert werden. Auf der mit diesem Experiment geschaenen Basis ist es gelungen, eine besonders interessante Vorhersage der Resonator-QED zu realisieren, die kontrollierte Erzeugung einzelner Photonen im Dauerbetrieb. Dabei konnte eine Einzel- Photonenemissions-Wahrscheinlichkeit pro Pumppuls von 8 % erreicht werden. Diese neuartige Lichtquelle wurde im Rahmen dieser Arbeit sowohl theoretisch als auch experimentell intensiv untersucht. Die statistischen Eigenschaften der emittierten Photonen wurden gemessen, und die Erzeugung verschiedener zeitlicher Pulsprofile konnte demonstriert werden.