Ziel unserer Arbeit ist es, Heliumdimere und Heliumtrimere in einer Vakuumkammer mit der COLTRIMSMethode zu untersuchen. Die gesuchten Heliumcluster erhalten wir aus einem Gasjet, welcher mit flüssigem Helium heruntergekühlt wird und dann adiabatisch ins Vakuum expandiert. Bei diesem Prozess kühlt der Jet ausreichend ab, sodass sich Heliumdimere und Heliumtrimere formieren können. Bei der Messung im COLTRIMS-Spektrometer werden die im Strahl befindlichen Heliumatome- und Moleküle ionisiert, und ihre Bruchstücke, Ionen und Elektronen, auf zwei verschiedenen Detektoren registriert. Um die Ionisationsprodukte den Ausgangsmolekülen einwandfrei zuordnen zu können, müssen wir Heliumdimere und Heliumtrimere weitgehend isolieren können. Hierzu verwenden wir das Prinzip der Massenselektion durch Materiewellenbeugung. Dieses macht sich zunutzte, dass Heliumatome- und Moleküle eigentlich quantenmechanische Teilchen sind, welchen sich eine De-Broglie-Wellenlänge λdb = h/p = h/(m · v) zuordnen lässt. Beugt man nun den Gasjet mit Heliumatomen- und Molekülen mit der selben Geschwindigkeit v, aber unterschiedlicher Masse m und damit unterschiedlicher De-Broglie-Wellenlänge λdb an einem Gitter mit der Gitterkonstante d, so ergibt sich die Verteilung der Maxima n · λdb = d · sin (θ) in Abhängigkeit von λdb und damit von der Masse m. Dadurch können wir den Ort des jeweils ersten Maximums verwenden, um dort Dimere beziehungsweise Trimere isoliert zu betrachten. Unsere Beugungsbilder haben gezeigt, dass das Prinzip grundsätzlich funktioniert. Für die angestrebten Untersuchungen an Dimeren und Trimeren muss an dem jeweiligen ersten Beugungsmaximum der jeweilige Molanteil noch verbessert werden, weshalb noch weitere Optimierungen von Düsendruck-und Temperatur anstehen.
Ziel unserer Arbeit ist es, Heliumdimere und Heliumtrimere in einer Vakuumkammer mit der COLTRIMSMethode zu untersuchen. Die gesuchten Heliumcluster erhalten wir aus einem Gasjet, welcher mit flüssigem Helium heruntergekühlt wird und dann adiabatisch ins Vakuum expandiert. Bei diesem Prozess kühlt der Jet ausreichend ab, sodass sich Heliumdimere und Heliumtrimere formieren können. Bei der Messung im COLTRIMS-Spektrometer werden die im Strahl befindlichen Heliumatome- und Moleküle ionisiert, und ihre Bruchstücke, Ionen und Elektronen, auf zwei verschiedenen Detektoren registriert. Um die Ionisationsprodukte den Ausgangsmolekülen einwandfrei zuordnen zu können, müssen wir Heliumdimere und Heliumtrimere weitgehend isolieren können. Hierzu verwenden wir das Prinzip der Massenselektion durch Materiewellenbeugung. Dieses macht sich zunutzte, dass Heliumatome- und Moleküle eigentlich quantenmechanische Teilchen sind, welchen sich eine De-Broglie-Wellenlänge λdb = h/p = h/(m · v) zuordnen lässt. Beugt man nun den Gasjet mit Heliumatomen- und Molekülen mit der selben Geschwindigkeit v, aber unterschiedlicher Masse m und damit unterschiedlicher De-Broglie-Wellenlänge λdb an einem Gitter mit der Gitterkonstante d, so ergibt sich die Verteilung der Maxima n · λdb = d · sin (θ) in Abhängigkeit von λdb und damit von der Masse m. Dadurch können wir den Ort des jeweils ersten Maximums verwenden, um dort Dimere beziehungsweise Trimere isoliert zu betrachten. Unsere Beugungsbilder haben gezeigt, dass das Prinzip grundsätzlich funktioniert. Für die angestrebten Untersuchungen an Dimeren und Trimeren muss an dem jeweiligen ersten Beugungsmaximum der jeweilige Molanteil noch verbessert werden, weshalb noch weitere Optimierungen von Düsendruck-und Temperatur anstehen.
In dieser Masterarbeit wird die Reaktion von 4He-Trimeren auf starke 800 nm Laserfelder untersucht. Dazu wird ein COLTRIMS-Reaktionsmikroskop mit einem Pump-Probe-Aufbau verwendet, der eine zeitliche Auflösung der Reaktion ermöglicht. Im COLTRIMS-Reaktionsmikroskop wird der wenige mK kalte Heliumstrahl durch Beugung an einem Gitter aufgespalten. Auch die Messung der Beugung des Heliumstrahls wird in dieser Arbeit vorgestellt. Für das Pump-Probe-Experiment wird ein Maximum erster Ordnung der Heliumtrimere in den Laserfokus gesetzt, um bei der Untersuchung der Heliumtrimere möglichst wenig Störsignal zu erhalten. Die Messung ist vergleichbar mit der in [3] durchgeführten Messung. Jedoch wird ein veränderter optischer Aufbau verwendet, dessen Charakterisierung ebenfalls in dieser Arbeit vorgestellt wird. Die in [3] gemessene Ausrichtung der Heliumtrimere am Laserfeld und deren Ausbreitung als Welle konnte erneut gemessen werden. In dieser Arbeit wird festgestellt, dass sich die theoretische Vorhersage für Ausrichtungswellen des Heliumdimers besser mit den gemessenen Ausrichtungswellen des Heliumtrimers deckt, wenn die Ausrichtung des Trimers gegen den kleinsten Paarabstand im Trimer aufgetragen wird - nicht gegen den Hyperradius. Das könnte darauf hindeuten, dass innerhalb des dissoziierenden Heliumtrimers Anregungen von Heliumatompaaren beispielsweise in einen 퐽=2-Zustand stattfinden, die sich ihrerseits dann am Laserfeld ausrichten. Die Übereinstimmung ist allerdings nicht sehr genau und der Zusammenhang rein hypothetisch. Ein Efimov-Heliumtrimer konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht gemessen werden. Um sicherer aussagen zu können, ob mit dem hier verwendeten Pump-Probe-Aufbau Efimov-Trimere aus Heliumtrimeren im Grundzustand erzeugt werden können, sind Verzögerungen zwischen Pump- und Probe-Puls von deutlich über den hier maximal verwendeten 900 ps notwendig. Der ebenfalls in [3] gemessene angeregte gebundene Zustand konnte in dieser Arbeit nicht gemessen werden. Dies festigt jedoch die in [3] geäußerte These, dass es sich um ein ionisiertes Heliumtrimer gehandelt haben könnte, denn im experimentellen Aufbau dieser Arbeit wird ein weniger intensiver Pump-Puls verwendet, sodass Ionisationen weniger wahrscheinlich sind. Theoretische Ab-initio-Berechnungen für die Anregung von Heliumtrimeren in starken Laserfeldern liegen noch nicht vor. Für eine bessere Interpretation der hier vorgestellten Messergebnisse sind solche theoretischen Betrachtungen allerdings essentiell.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Laserkühlung und der Speicherung von metastabilen Heliumatomen in inhomogenen elektrischen Feldern. Nach einer Einführung in die Grundlagen der Laserkühlung und Speicherung von neutralen Atomen und einem Überblick über experimentelle Techniken in diesem Bereich wird das Prinzip eines Stark-Slowers und eine spezielle Umsetzung für metastabiles Helium beschrieben. Die Laserkühlung der metastabilen Heliumatome, die sich im 2^3S_1-Zustand befinden, erfolgt über einen Übergang in den 3^3P_2-Zustand, wobei man die verhältnismäßig starke elektrische Polarsierbarkeit des 3^3P_2-Zustandes von 4.29 MHz/(kV/cm)^2 nutzt, um in elektrischen Feldern, die man gut im Labor herstellen kann, die während der Laserkühlung veränderliche Doppler-Verschiebung des UV-Laserlichtes (Wellenlänge 389 nm) zu kompensieren. Es wird ebenfalls beschrieben, wie man mit Hilfe eines schwachen Magnetfeldes von ca. 0.5 Gauß optisches Pumpen während der Laserkühlung unterdrücken kann, welches anderen Falls in elektrischen Feldern oberhalb von ca. 20 kV/cm zum Abreißen des Laserkühlungsprozesses führen würde. Der experimentelle Aufbau bestehend aus den verwendeten Lasern und der Vakuumapparatur zur Erzeugung des Heliumatomstrahls wird beschrieben. Als Lasersysteme kommt ein extern frequenzverdoppelter Single-Mode CW-Titan-Saphir-Laser (Wellenlänge 389 nm) und zwei Diodenlaser (Wellenlänge 1083 nm) zum Einsatz. Die Vakuumapparatur besteht aus einer flüssig Stickstoff gekühlten Düsenstrahlquelle für Helium, in der in einer Gasentladung in einem Teil der Heliumatome der metastabile 2^3S_1-Zustand bevölkert wird. Nach einem Abschnitt zur transversalen Laserkühlung und Abtrennung des metastabilen Anteils der Heliumatome vom Rest des Heliumatomstrahls folgt der eigentliche Stark-Slower zum abbremsen der metastabilen Heliumatome. In letzten Teil der Experimente ist die Vakuumapparatur noch um eine magneto-optische Falle zur Speicherung der kalten metastabilen Heliumatome erweitert worden. Die im Experiment gemessenen Flugzeitverteilungen der metastabilen Heliumatome werden mit einem Modell konstanter Beschleunigung und mit einer Computersimulation des Experimentes verglichen. Mit einer ersten Version des Stark-Slowers werden die metastabilen Heliumatome von ca. 1000 m/s auf ca. 180 m/s abgebremst. Nach einer Verbesserung des Stark-Slowers werden Endgeschwindigkeiten von ca. 30 m/s erreicht, die im Einfangbereich der magneto-optischen Falle liegen. Weiter wird die erfolgreiche Unterdrückung des optischen Pumpens in den 2^3S_1-Zustand mit m_J=0 gezeigt. Den Abschluß des experimentellen Teils bilden Messungen zur Speicherung der kalten metastabilen Heliumatome in der magneto-optischen Falle. Die Anzahl der metastabilen Heliumatome wird zu ca. 10^5 abgeschätzt. Die Temperatur der Heliumwolke liegt bei ca. 1.1 mK, wobei jedoch die Geschwindigkeitsverteilung der Heliumatome aber von einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung abweicht. Die Ursache der Abweichung ist nicht bekannt. Im letzten Teil der Arbeit wird ein Modell einer elektro-dynamischen Falle beschrieben. Dabei werden Bewegungsgleichungen der Teilchen in einer solchen Falle hergeleitet, um anschließend zu untersuchen, für welche Parameter diese Fallen in der Lage sind kalte metastabile Heliumatome zu speichern. Abgeschlossen wird die Arbeit nach einer Zusammenfassung der Ergebnisse mit einen Ausblick auf zukünftige Experimente und Möglichkeiten, den Stark-Slower weiter zu verbessern.
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.
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.
ZusammenfassungObwohl das Maxwell-Boltzmannsche Verteilungsgesetz im vorigen Kapitel auf eine Weise abgeleitet wurde, die mit der Quantenmechanik verträglich ist, erhält man dieselben Ergebnisse auch bei einer rein klassischen Vorgangsweise. Wir haben außerdem gesehen, daß es zwischen einer Situation, in der eine kontinuierliche Energieverteilung möglich ist, wie bei den Translationsbewegungen der Moleküle eines Gases, und einer Situation, in der die Energien nur bestimmte diskrete Werte annehmen können, wie bei den Rotationszuständen eines Moleküls, keinen wesentlichen Unterschied gibt. In beiden Fällen haben wir die betrachteten Teilchen als unterscheidbare Objekte angenommen, was für Moleküle in einem Gas erlaubt ist, jedoch für Photonen in einem Hohlraum oder Elektronen in einem Metall nicht mehr zutrifft. Quanteneffekte werden für ununterscheidbare Teilchen wichtig, und die Verteilungsgesetze unterscheiden sich wesentlich von dem Maxwell-Boltzmannschen Gesetz. In diesem Kapitel wollen wir die statistischen Verteilungsgesetze von Bose und Einstein, beziehungsweise von Fermi und Dirac ableiten. Die Bose-Einstein-Statistik gilt für identische, ununterscheidbare Teilchen, die nicht dem Ausschließungsprinzip unterliegen (Photonen), während die Fermi-Dirac-Statistik für solche Teilchen gilt, auf die das Ausschließungsprinzip angewendet werden muß (Elektronen).
In diesem Experiment wurde der Einfluss eines starken Laserfeldes auf den Grundzustand des Heliumtrimers untersucht. Die Auswertung der Messung zeigt, dass der Grundzustand der Heliumtrimere wie erwartet keine präferierte geometrische Struktur hat und als loses Dreieck detektiert wurde. Bei einer Wechselwirkung der Heliumtrimere mit dem Pump-Puls findet eine Dissoziation des Trimers statt. Eine Detektion des Efimov-Zustandes ist nicht gelungen. Dies liegt zum einen an dem großen Hintergrundsignal, welches schon bei der Messung mit dem geschlossenem Shutter erkennbar war, und zum anderen an der Tatsache, dass sich bei der Messung mit offenem Shutter die dissoziierenden Heliumtrimere auch in dem Bereich, in dem der Efimov-Zustand gemessen werden kann, befinden. Um den Efimov-Zustand messen zu können, müsste bei zukünftigen Messungen das Hintergrundsignal verringert werden. Zudem könnte man eine größere Verzögerungszeit, von 2 ns, zwischen den Pump-Puls und dem Probe-Puls wählen. Dann sollten die dissoziierenden Trimere so groß werden, dass diese sich noch näher zum Ursprung verschieben werden.