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.
Ultra-dünne Glasfasern haben sich in den vergangenen Jahren als eine vielseitige Licht-Materie Schnittstelle erwiesen, bei der sich eine Fülle an nano-optischen Phänomenen mit guter experimenteller Handhabung verbinden. In diesem Zusammenhang wurde 2010 erstmals eine Dipolfalle für lasergekühlte Atome demonstriert, basierend auf dem evaneszenten Feld einer solchen Nanofaser. Seitdem wurde ein reichhaltiger Werkzeugkasten zur Kontrolle und Manipulation dieser faser-gefangenen Ensembles entwickelt. Insbesondere ermöglicht diese Schnittstelle Zu gang zu optischen Nichtlinearitäten welche sich auch noch auf dem Level einzelner Photonen auswirken. Dies warf die Frage nach der Realisierung nicht-klassischer Zustände auf, etwa von gequetschtem Licht. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein neuer experimentel ler Aufbau zum Fangen von laser-gekühlten Cäsium-Atomen im evaneszenten Feld einer Nanofaser geschaffen. Im ersten Teil der Arbeit beschreibe ich die Planung und Konstruktion des Experimentes und weise experimentell nach, dass Atome gefangen werden. Der Aufbau beinhaltet eine Reihe technischer Verbesserungen im Vergleich zu bisherigen nanofaser-basierten Dipol fallen. Dazu zählen die Verwendung sogenanter magischer Wellenlängen, welche die spektrale Verbreiterung des gefangenen Ensembles reduzieren, verbesserter optischer Zugang dank der Verwendung einer Glass-Vakuumküvette, sowie ein transversal beweglicher Faserhalter zur Op timierung des Überlapps zwischen Atomwolke und der Taille der Nanofaser. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die experimentelle Beobachtung von gequetschtem Licht, welches durch ein Ensemble von schwach gekoppelten Emittern realisiert wird. Dazu weise ich das Squeezing nach und untersuche die Skalierung desselben bezüglich Leistung und Verstimmmung des Testfeldes. Zudem wird gezeigt, wie sich das Spektrum des aus der Faser austretenden Feldes qualitativ mit der Anzahl der gefangenen Atome ändert. Insbesondere wird nachgewiesen, dass bei ausreichender Atomzahl Seitenbänder im Spektrum erzeugt werden. Die Erzeugung von gequteschtem Licht beruht in den meisten Fällen auf einer starken Nichtlinearität, welche durch optische Resonatoren oder nicht-lineare Kristalle gewährleistet wird. Die vorliegende Arbeit weist jedoch nach, dass gequetschtes Licht auch durch ein Ensemble von schwach gekoppelten Emittern erzeugt werden kann. Dadurch eröffnen sich neue Perspektiven für nicht-lineare Licht-Materie Schnittstellen, welche einen elementaren Baustein für zukünftige Quantennetzwerke darstellen.
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.