Helle atomare Solitonen - KOPS - Universität Konstanz

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8 chussets [7], deren Wahl auf Natrium fiel. Beide Elemente erfüllten die oben genannten Anforderungen. In der Gruppe um Randall Hulet in Houston/Texas wurden ebenfalls noch 1995 erste Anzeichen der Kondensation von wenigen Tausend Lithiumatomen [8, 31] beobachtet, der zwingende Beweis dafür erfolgte jedoch erst ein gutes Jahr später [32]. Es waren die ersten Kondensate eines Elements mit negativer Streulänge. Die Leistungen, die von Cornell, Wieman und Ketterle im Zusammenhang mit Experimenten zur Bose-Einstein Kondensation erbracht wurden, sind im Jahre 2001 durch die Verleihung des Nobelpreises gewürdigt worden. Schließlich gelang 1998 auch die Kondensation von spinpolarisiertem Wasserstoff. Zunächst erreichte die Gruppe um Simo Jaakkola in Turku/Finnland ein zweidimensionales Quasikondensat auf einer Heliumoberfläche [33]. Wenig später wurde die Erzeugung eines 3d-Kondensats im Labor von Thomas Greytack und Daniel Kleppner in Harvard [34] bekannt. Diese sind zudem die bislang einzigen Experimente in denen die Atome in einem Kryostaten und nicht durch Laserlicht vorgekühlt werden. Im Laufe der letzten Jahre hat sich die Zahl der kondensierbaren Elemente auf metastabiles Helium [35, 36], Kalium [37], Cäsium [38] und Ytterbium [39] erweitert, Chrom könnte möglicherweise bald hinzu kommen [40]. Zudem ist es mittlerweile gelungen, reine Quantengase aus Cäsium-, Rubidium- und Natriummolekülen herzustellen [41, 42, 43]. Mit der Erzeugung kondensierter Gase aus Molekülen fermionischen Lithiums bzw. Kaliums [44, 45, 46] ist nun auch die Beobachtung des BCS-Übergangs [47] eines entarteten Fermigases [48] in greifbare Nähe gerückt. Von den erwähnten Elementen hat sich mittlerweile das Isotop 87 Rb zur ” beliebtesten“ Spezies entwickelt. Es erfüllt alle physikalisch notwendigen Eigenschaften: es ist bosonisch, paramagnetisch, besitzt eine positive Streulänge und zeigt ein hohes Verhältnis von guten zu schlechten Stoßen. Darüberhinaus erleichtert der ” hohe“ Dampfdruck (2 · 10 −7 mbar bei 20 ◦ C) die Erzeugung eines <strong>atomare</strong>n Hintergrundgases im gewünschten Druckbereich bei Raumtemperatur. Schließlich besitzt Rubidium einen für die Laserkühlung geeigneten geschlossenen Übergang bei einer Wellenlänge (780 nm), für die Lasersysteme mit genügend Leistung kommerziell erhältlich sind. Etwa 35 von insgesamt 45 Bose-Einstein Kondensaten weltweit bestehen aus diesem Isotop. Eines davon ist Gegenstand dieser Arbeit. Es wurde zunächst in <strong>Konstanz</strong> erzeugt, die Apparatur ist mittlerweile in Heidelberg neu aufgebaut worden. Der erste Teil dieser Arbeit beschreibt die Herstellung eines entarteten 87 Rb Bosegases. Dazu werden in Kapitel 1 zunächst der experimentelle Aufbau und die grundlegenden Mechanismen der Physik ultrakalter Atome diskutiert. Der Ablauf des Kondensationsprozesses und der Nachweis des Phasenübergangs werden im darauf folgenden Kapitel 2 beschrieben.
Kapitel 1 Experimenteller Aufbau - Physik ultrakalter Atome Der experimentelle Aufbau der Apparatur zur Erzeugung eines BEC ist auch Bestandteil von zwei Diplomarbeiten. In der Arbeit von Karen Forberich [49] ist der detaillierte Aufbau bis zur erfolgreichen Demonstration der Laserkühlung und zum Fangen der Atome in einer magneto-optischen Falle beschrieben. Die Arbeit von Philipp Treutlein [50] konzentriert sich dagegen auf die Verdampfungskühlung und die Kondensation in einer magnetischen TOP-Falle. Im Folgenden wird ein zusammenfassender, auf physikalische Aspekte konzentrierter Überblick gegeben. Überblick über den Gesamtaufbau Der experimentelle Ablauf zur Erzeugung eines Bose-Einstein Kondensats lässt sich wie folgt kurz zusammenfassen. Die Rb-Atome werden aus einer Quelle bei einer Temperatur von T ≃ 700 K freigesetzt und in einer ersten Stufe der Laserkühlung zu einem kalten Atomstrahl abgebremst (T ≃ 1 K). Dieser kalte Strahl wird wiederum durch Laserlicht in einer magneto-optischen Falle (MOT) gefangen und gekühlt (T ≃ 150 µK). Nach Transfer in eine rein magnetische Falle wird das Ensemble durch Verdampfungskühlung zur Kondensation gebracht (T < 200 nK) und optisch durch Absorptionsabbildung nachgewiesen. Auf diese Weise wurde im Dezember 2001 das erste Kondensat erzeugt. Um die Experimente zur Untersuchung der Dynamik kohärenter Wellenpakete durchführen zu können, wurde der genannte Ablauf modifiziert. Nach Vorkühlung der Wolke in der Magnetfalle wurde das Ensemble in eine rein optische Falle, bestehend aus zwei gekreuzten fokussierten Laserstrahlen, transferiert und dort kondensiert. Bevor auf die einzelnen Komponenten näher eingegangen wird, soll zur Orientierung ein Überblick über den Gesamtaufbau auf dem optischen Tisch gegeben werden. Dieser ist schematisch in Abb. 1.1 dargestellt. Grundlage eines jeden Experiments mit kalten Atomen sind demnach eine Vakuumapparatur zur thermischen Isolation der untersuchten Spezies (unterer abgedunkelter Bereich), und ein Lasersystem zur Manipulation der Atome (in der oberen Hälfte). Die Laser erzeugen das Licht für die Laserkühlung und zum Nachweis der Atome (Ti:Saphir, Nd:YAG I und Rückpumplaser), für die optischen Dipolfallen (Nd:YAG II), und für das periodische Potential (wahlweise Ti:Saphir oder Diodenlaser). Ihr Licht wird durch akusto-optische Modulatoren (AOM’s) auf die gewünschte Frequenz verschoben und auf die erforderliche Leistung eingestellt. Mecha-
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Seite 16 und 17: 10 KAPITEL 1. EXPERIMENTELLER AUFBA
Seite 38 und 39: -4 z[10 m] 32 KAPITEL 1. EXPERIMENT
Seite 44 und 45: 38 KAPITEL 2. ERZEUGUNG UND NACHWEI
Seite 63 und 64: Kapitel 3 Theorie In diesem Kapitel
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Literaturverzeichnis [1] S.N. Bose.
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LITERATURVERZEICHNIS III [27] S. Ch
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LITERATURVERZEICHNIS V [56] J. Dali
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LITERATURVERZEICHNIS VII [87] D.M.
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LITERATURVERZEICHNIS IX [117] C.M.
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LITERATURVERZEICHNIS XI [148] R.G.
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LITERATURVERZEICHNIS XIII [175] A.E
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Danksagung An dieser Stelle möchte
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