Aufbau zur Messung von Penningreaktion mit ultrakalten Lithiumatomen

Leon Goepfert

Kilian Talo Theodor Singer, M. Tscherneck, M. Reetz‐Lamour +3 more

H. Jungbluth

A. Grabowski

Die Entwicklung der Methoden zur Laserkühlung von Atomen hat in den letzten 15 Jahren vielfältige wissenschaftliche Fortschritte erzielt. Ein sich dabei in den letzten Jahren neu entwickelndes Feld ist die Kombination der Laserkühlung mit der zustandsselektiven Anregung von Atomen in Rydberg-Zustände. Ein solches System wird als "gefrorenes Rydberg-Gas" bezeichnet. Dieser Name reflektiert die Tatsache, dass die Experimente mit diesen gekühlten Atomen auf einer Zeitskala ablaufen, auf der die thermische Bewegung zu vernachlässigen ist und nur die Wechselwirkung der Atome untereinander relevant ist. Gelingt es, solche kalten Rydberg-Atome in periodischen Potentialen zu speichern, so ergeben sich Möglichkeiten, dieses System für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) zu nutzen. Zur Untersuchung solcher Systeme wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau konzipiert und realisiert. Die dazu aufgebaute Apparatur wurde charakterisiert, indem Untersuchungen zur Laserkühlung von aus einem Dispenser emittierten 87Rb-Atomen in einer magneto-optischen Falle (MOT) durchgeführt wurden. Die hierbei gekühlten Atome wurden anschließend in eine Magnetfalle in Drahtfallengeometrie transferiert und konnten dort magnetisch gespeichert werden. Zur Speicherung von ultrakalten Atomensembles in periodischen Strukturen wurden die Möglichkeiten untersucht, aus periodisch angeordneten stromtragenden Leitern ein Gitter von zwei Magnetfallentypen (Quadrupol- und Ioffe-Pritchard-Fallen) zu konstruieren. Hierzu wurden aufbauend auf einzelnen Segmenten die Möglichkeiten der Konstruktion von Gittern untersucht. Diese Gitter erlauben es, drei verschiedene Grundkonfigurationen von Fallen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufzubauen, die theoretisch erläutert werden. Dabei wird auch eine experimentelle Realisierung solcher Gitter mit Quadrupol-Fallen vorgestellt. Hierbei wurde ein Gitter von 4 MOTs experimentell realisiert und untersucht. Im letzten Teil der Arbeit werden Experimente zur 2-Photonen Rydberg-Anregung und hochauflösenden Rydberg-Spektroskopie von 87Rb-Atomen vorgestellt. Hierbei wird zunächst das verwendete Anregungs- und Detektionsschema der Atome erläutert, gefolgt von Untersuchungen zur Stabilität und Leistungsfähigkeit des Lasersytems zur Rydberg-Anregung. Hierzu wurden hochauflösende Spektren in der Umgebung der beiden 41D-Feinstrukturzustände von 87Rb in Abhängigkeit vom elektrischen Feld aufgenommen und die feldabhängige Aufspaltung der Zustände untersucht. Zur Realisierung der erläuterten Schemata zur QIV ist es nötig, einzelne oder Ensembles von Atomen gezielt orts- und zustandsselektiv in Rydberg-Zustände anregen zu können. Erste Demonstrationsexperimente hierzu werden präsentiert. Abschließend wird über die Messung der Rabifrequenz durch Untersuchung der Autler-Townes-Aufspaltung des an das Lichtfeld gekoppelten 5S1/2->5P3/2-Übergangs berichtet.

Max Eisele

In dieser Arbeit wird eine neue Methodik zur in situ-Beobachtung von Paarkorrelationen in ultrakalten atomaren Gasen vorgestellt und experimentell untersucht. Sie basiert auf der photoassoziativen Ionisation in Kombination mit einer effizienten und zeitlich hochauflösenden Detektion der bei diesem Prozess erzeugten Molekülionen. Diese können mithilfe eines neu in den bestehenden apparativen Aufbau integrierten Kanal-Elektronenvervielfachers in Echtzeit nachgewiesen werden. Anhand der in situ Beobachtung von Feshbach-Resonanzen in einem thermischen 87Rb-Gas werden die Vorzüge der neu vorgestellten Messmethode veranschaulicht. Sie erlaubt erstmals eine Echtzeit Beobachtung sich ändernder Streueigenschaften des atomaren Ensembles durch die direkte Messung der Paarkorrelationen bei kleinen interatomaren Abständen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, über einen Magnetfeldbereich von 1000G hinweg, innerhalb eines Präparationszyklus des Gases alle bekannten s-Wellen und einige d-Wellen-Feshbach-Resonanzen des Eingangskanals |F = 1,mF = 1> × |1,1> zu detektieren. Die Messung zeigt zudem Hinweise auf neue, bisher unbekannte Resonanzen. Die hohe Geschwindigkeit und die hohe Empfindlichkeit des hier vorgestellten Detektionsschemas ermöglicht die Beobachtung einer kompletten Feshbach-Resonanz innerhalb einer Millisekunde und ohne Zerstörung des Gases. So können innerhalb eines Präparationszyklus Mehrfachmessungen einzelner Feshbach-Resonanzen mit bis zu 350 Wiederholungen und einer Rate von 1 kHz durchgeführt werden. Diese hohe Wiederholrate eröffnet zudem die Möglichkeit, langsame Driften des Magnetfeldes durch äußere Störeffekte zu korrigieren. Mit diesem Messverfahren wurden exemplarisch alle bekannten s-Wellen- und sechs bekannte d-Wellen-Feshbach-Resonanzen des betrachteten Eingangskanals einzeln untersucht. Es war möglich, Resonanzen mit einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis von 130 in einer Messdauer von nur 90 min aufzuzeichnen. Die hohe Zeitauflösung und die hohe Nachweiseffizienz ermöglicht es außerdem, Zerfallsprozesse des atomaren Gases in Echtzeit und in situ zu beobachten. Dadurch ergeben sich zukünftig vielfältige Anwendungsmöglichkeiten dieser Methodik zur zerstörungsfreien Echtzeitmessung der Paarkorrelationen bei der Untersuchung kalter bosonischer und fermionischer Quantengase.