Die wichtigsten optischen Grundgesetze

Ingolf Volker Hertel, C. P. Schulz

Klaus Peter Geigle, Kevin A. Thomson, Daniel S. Gareau

Emil Klein

Hermann G. Kümmel

Vom Verfasser1,2 wurden die Phasenraumdichte und ihre als Differenzengleichung erscheinende klassische Bewegungsgleichung auf quantentheoretischer Grundlage abgeleitet. In dieser Arbeit wird das Erreichen des Gleichgewichtes als Vorgang im (p-q)-Raum untersucht. Das statistische Grundgesetz (Bewegungsgleichungen der Dichte, ausgedrückt durch Übergangswahrscheinlichkeiten WJJ′) ist kein spezifisch quantenmechanisches Gesetz. Erst durch eine „Vergröberung“ der WJJ′ und die dann ablesbaren Symmetrierelationen liefert das statistische Grundgesetz quantitativ den Übergang in das Gleichgewicht und die irreversible Thermodynamik in der Onsagerschen Form.

Hermann Haken, Hans Christoph Wolf

A. Heinz

Innerhalb der letzten zwanzig Jahre haben sich ultrakalte Quantengase mit Alkalimetallatomen in optischen Gittern als effektives Werkzeug zur Simulation von Quantenvielteilchenmodellen erwiesen. Eine der wichtigsten technischen Errungenschaften in diesen Quantensimulationsexperimenten war die Entwicklung des Quantengasmikroskops, welches mit der Auflösung und Ansteuerung einzelner Atome in optischen Gittern einen wichtigen Schritt in Richtung absoluter Kontrolle aller internen und externen Freiheitsgrade einzelner neutraler Atome ermöglichte. Im Gegensatz zu Alkalimetallen haben Erdalkalimetallatome eine energetische Struktur, welche einen Reichtum an Wellenlängen für zustandsabhängige optische Fallen bietet. Ein Beispiel dafür sind “Tune-out Wellenlängen”, bei denen die Polarisierbarkeit und somit das Fallenpotential eines Zustands verschwindet. Diese Wellenlängen ermöglichen neuartige Quantensimulationen. Um Quantensimulationen mit zustandsabhängigen Fallen zu ermöglichen, bauen wir das erste Strontium Quantengasmikroskop der Welt. In dieser Arbeit zeigen wir dessen Design und Bauprozess von Grund auf und beschreiben technische Errungenschaften und Erweiterungen. Momentan sind wir in der Lage Temperaturen von ~1 μK mit ⁸⁸Sr und ⁸⁷Sr Atomen mittels Laserkühlung zu erreichen. Desweiteren, entwickelten wir eine neue Methode zur Messung von Tune-out Wellenlängen. Unsere Messung der Tune-out Wellenlänge des ¹S₀ Grundzustands ist unserem Wissen nach die genaueste bisher, wenn wir die geringe Sensitivität der Polarisierbarkeit mit der optischen Frequenz mit einbeziehen. Wir erreichen eine Unterdrückung des Grundzustandsgitters von fast fünf Größenordnungen gegenüber dem Gitter des angeregten Zustands. Mit spektroskopischen Messmethoden konnten wir die Polarisierbarkeit des ³P₀ Zustands extrahieren und aus unseren Messungen die ¹P₁ und ³S₁ Lebensdauern neu bestimmen. In einem weiteren Experiment demonstrierten wir ³P₀ Atome, gefangen in einem optischen Gitter bei der Tune-out Wellenlänge. Optische Gitterpotentiale unterliegen durch Laserleistung limitierten, harmonisch-geformten Potentialhüllen, welche die Systemgröße in Quantensimulationsexperimenten bestimmen. Diese “harmonische Einschränkung” beeinflusst sämtliche Tunnel- und Wechselwirkungsparameter im gesamten Gitter und führt zu anderen ungewollten, durch die Systemgröße bedingten, Effekten. Viele Quantensimulationsexperimente würden daher von größeren Systemen profitieren, weil entsprechende theoretische Modelle typischerweise unendlich große, flache Systeme voraussetzen. Um die optische Leistung zur Erzeugung von optischen Gittern zu erhöhen, entwickelten wir einen vakuumkompatiblen, monolithischen Überhöhungsresonator mit gekreuzten Resonatormoden mit 1/e^2 Strahlradien von ~400 μm, welche Systemgrößen von ~200×200 Gitterplätzen erwarten lassen. Wir berichten über dessen Design, Bauprozess, Charakterisierung und Implementierung. Der Resonator kann die optische Leistung bei sechs verschiedenen Wellenlängen, innerhalb des sichtbaren bis infraroten Bereich des Spektrums, bis zu einem Faktor ~1000 überhöhen und ermöglicht so tiefe und stabile Gitter bei Wellenlängen, bei denen keine hohen Laserleistungen verfügbar sind.