A Holographic DMD setup for Addressing Individual Atoms in an Optical Lattice / Entwicklung einer holographischen Addressierung einzelner Atome im optischen Gitter mittels eines DMDs
Diese Arbeit beschreibt die Realisierung eines zustandsabhängigen optischen Gitters für Ytterbium-Quantengase mit zwei elektronischen Orbitalen sowie die Beobachtung einer einstellbaren interorbitalen Spinaustauschkopplung zwischen mobilen und lokalisierten magnetischen Momenten.Ultrakalte Gase erdalkaliartiger Atome wie Ytterbium in derartigen optischen Gittern eignen sich als vielfältige Modellsysteme zur Simulation von Phänomenen und Aggregatzuständen aus der Festkörperphysik, welche durch einen orbitalen Freiheitsgrad bestimmt sind.Beispiele hierfür sind die Physik schwerer Fermionen, Kondo-Spinabschirmung sowie der kolossale magnetoresistive Effekt in Kondo-artigen Modellen.Fermionische Ytterbiumatome im elektronischen Grundzustand und im metastabilen, angeregten Uhrenzustand weisen eine unterschiedliche Beweglichkeit im optischen Gitter auf, analog zu Elektronen in verschiedenen Festkörperorbitalen. Eine starke Entkopplung des Kernspins vom elektronischen Drehimpuls führt zu einer SU(N )-Symmetrie der interorbitalen Wechselwirkungen und bedingt hiermit die Entstehung einer natürlichen Spinaustauschkopplung mittels zweier unabhängiger Streukanäle.Wir präsentieren die Umsetzung unseres orbitalen optischen Gittersystems, welche auf den unterschiedlichen Polarisierbarkeiten der Uhrenzustände beruht und allgemeingültig für alle erdalkaliartigen Atome ist.Das optische Gitter erhält die SU(N )-Symmetrie der Wechselwirkungen weitgehend und die starke Lokalisierung der elektronisch angeregten Atome beschränkt verlustreiche Kollisionsprozesse.Mit der kontrollierten Herstellung von Mischungen in verschiedenen Kernspins und Orbitalen, welche den Spinaustauschwechselwirkungen unterliegen, unternehmen wir einen ersten Schritt zur Realisierung des Kondo-Gittermodells mit ultrakalten Atomen.Mit Hilfe optischer Spektroskopie zwischen der beiden Uhrenzuständen charakterisieren wir die starken interorbitalen Wechselwirkungen in Gegenwart des Gitterpotentials.In Fall niedriger Gitterfüllfaktoren führt die Kombination der starken interorbitalen Wechselwirkungen und der Mobilität der Grundzustandsatome zu einer effektiven Spinaustauschkopplung, analog zu der im Kondo-Modell.Wir beobachten den Austauschprozess anhand der Magnetisierungsdynamik, welche durch ein anfängliches Spin-Ungleichgewicht zwischen den Orbitalen induziert wird.Weiterhin zeigen wir, dass die Austauschkopplung mittels der Gittertiefe resonant gesteuert werden kann.Der zu Grunde liegende Mechanismus basiert auf der Kopplung an gebundene Zustände des Spin-Singulett-Streukanals.
Die vorliegende Dissertation beschreibt Experimente mit einzelnen Atomen in einem optischen Resonator hoher Finesse.Bei Beleuchtung des Atoms mit einem transversalen Pumplaser kommt es in Kombination mit einer resonatorunabhängigen Stehwellen-Dipolfalle und dem Vakuumfeld des Resonators zu dreidimensional wirkenden Kühlkräften, die zur Präparation einzelner Atome im Zentrum der Resonatormode verwendet werden.Durch Verschieben der Stehwellenfalle kann die Atom-Resonator-Kopplung exakt eingestellt werden.Für die Experimente wurde eine neue Apparatur aufgebaut, in der Atome aus einer magnetooptischen Falle mit Hilfe einer Dipolfalle zum optischen Resonator transportiert werden.Die dort gespeicherten Atome weisen Temperaturen unter der Doppler-Grenze auf, sie sind gut in der Mode lokalisiert und bleiben im Mittel 17 s lang gespeichert.Zudem kann aus der Photonenstreurate die Anzahl der gespeicherten Atome bestimmt werden.
This thesis explores ensembles of ultracold atoms, trapped and
cooled in dark optical lattices. In this type of optical lattice,
atoms are trapped in quantum states which are decoupled from the
trapping light field. Therefore, elastic scattering - the main
process limiting the density of atoms in optical lattices - is
significantly reduced. This entails the chance to overcome the
density limit existing in conventional
optical lattices. We explore a novel scheme for density
enhancement which allows for a four-fold density increase over the
initial density of the magneto-optical trap (MOT). We load
atoms from the MOT into a modified optical lattice
consisting of a three-dimensional dark optical lattice and a
far-detuned optical dipole trap. Atoms are now cooled down in the potentials of dark optical lattice at typical
densities of a MOT. The enhancement
procedure is based on a time sequence composed of cooling and
trapping cycles inside the dark optical lattice and cycles of free
evolution in an array of microscopic potentials formed by the
dipole trap.
Im Rahmen dieser Arbeit werden kalte Atome in einem dunklen
optischen Gitter untersucht. In diesem Typ von optischem Gitter
sind die Atome in Zustanden gefangen, die nur schwach mit dem
Lichtfeld wechselwirken. Dadurch ist die elastische Komponente
der Photonenstreuung, die in konventionellen optischen Gittern fur
die Begrenzung der atomaren Dichte verantwortlich ist, erheblich
reduziert. Deswegen wird es moglich in dunklen optischen Gittern
die Dichtebegrenzung konventioneller optischer Gitter zu ubertreffen. Wir untersuchen eine neue
Methode der Dichteerhohung, mit der wir einen vierfachen Anstieg
der atomaren Dichte gegenuber der Anfangsdichte in der MOT
erreichen. Die Atome werden aus einer magneto-optischen Falle in eine Uberlagerung von zwei optischen Fallen
geladen. Diese ist durch ein drei-dimensionales dunkles optisches
Gitter und eine fernverstimmte optische Stehwellen-Dipolfalle
gebildet. Das Verfahren der Dichteerhohung basiert auf
abwechselnden Zyklen der Kuhlung und Lokalisierung in dem dunklen
optischen Gitter und Zyklen der freier Expansion in den
Mikropotentialen der optischen Stehwellen-Dipolfalle.