Helle atomare Solitonen - KOPS - Universität Konstanz

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12 KAPITEL 1. EXPERIMENTELLER AUFBAU Funnel- Laserstrahlen Rb-Dispenser langsamer Atomstrahl Magnetfalle “Push”- Laserstrahl Pumpe 55 l/s Pumpe 150 l/s Glaszelle Funnelspulen differentielle Pumpstufe 3D MOT Laserstrahlen 3D-MOT BEC Funnel-Kammer MOT- und BEC-Kammer Abbildung 1.2: Übersicht über die Vakuumapparatur. In der Funnelkammer (∼ 10 −9 mbar) befinden sich die Dispenser, aus denen atomares Rubidium freigesetzt wird. Sie ist mit der MOT- Kammer (∼ 10 −11 mbar) über eine differentielle Pumpstufe verbunden. Das BEC wird in einer Magnetfalle erzeugt, deren Spulen sich außerhalb des Vakuums befinden. Sie umschließen die Glaszelle, welche den erforderlichen optischen Zugang erlaubt. Weiterhin sind die Laserstrahlen für beiden Stufen der Laserkühlung dargestellt (s. Text). Das Bild wurde freundlicherweise von W. Geithner erstellt. Sublimationspumpe mit einer Pumpleistung von bis zu 1000 l/s. Die Option einer Kühlung dieser Pumpe mit flüssigem Stickstoff wurde von uns nicht verwendet. Der Druck in den beiden Kammern kann aus dem Strom durch die jeweilige Ionenpumpe berechnet werden. Allerdings beträgt der kleinste damit messbare Druck 5 · 10 −10 mbar. Deshalb befindet sich in der Motkammer zusätzlich eine Bayard-Alpert Messröhre deren unteres Drucklimit bei 2 · 10 −11 mbar liegt. Während aller durchgeführten Experimente lag der Druck in der Motkammer unterhalb dieses Werts. Zum anfänglichen Abpumpen der Apparatur existiert an der Funnelkammer ein Hochvakuumventil (nicht gezeichnet in Abb. 1.2), an das eine Turbomolekularpumpe mit ölfreier Vorpumpe angeschlossen wurde. Die gesamte Kammer wurde über zwei Tage hinweg auf einer Temperatur von 190 ◦ C (Funnelkammer) bzw 230 ◦ C (MOT-Kammer) ausgeheizt, um bei Raumtemperatur den gewünschten Druckbereich zu erreichen.
1.2. LASERKÜHLUNG - KÜHLEN UND FANGEN DER ATOME 13 1.1.2 Die Dispenser - Quellen atomaren Rubidiums Als Rubidiumquelle dienen so genannte ” Dispenser“ 3 . In diesen befindet sich eine Rubidiumchromat-Verbindung. Die Bindung kann thermisch aufgebrochen werden, wodurch atomares Rubidium freigesetzt wird. Ein angelegter Strom durch die Dispenser verändert deren Temperatur und bestimmt somit den Fluss an freigesetzten Atomen und den Partialdruck von Rubidium, der praktisch dem Gesamtdruck entspricht. Typischerweise beträgt dieser ca. 10 −9 mbar bei einem Strom von je 3.2 A durch zwei Dispenser 4 . Diese sind derart in der Funnelkammer angebracht (s. auch Abb. 1.2), dass die freigesetzten Atome in Richtung Funnel entweichen, aber nicht direkt durch die differentielle Pumpstufe in die MOT-Kammer gelangen können. Zu Beginn der Arbeiten musste die Kammeroberfläche zunächst mit einer Schicht Rubidium bedeckt werden. Solange dies nicht der Fall ist, bleiben die Atome an der Oberfläche ” adsorbiert“, der Partialdruck an Rubidium ist dann vernachlässigbar. Diese Beobachtung deckt sich mit derjenigen von Ensher [51]. 1.2 Laserkühlung - Kühlen und Fangen der Atome 1.2.1 Das Prinzip der Laserkühlung Das Prinzip der Laserkühlung wurde schon 1975 unabhängig von Hänsch und Schawlow [52] sowie Wineland und Dehmelt [53] beschrieben. Nachdem 1982 ein Atomstrahl durch Lichtkräfte abgebremst wurde [26], gelang 1985 die erste dreidimensionale Kühlung [27]. Bereits zwei Jahre später wurden schließlich neutrale Atome in einer dreidimensionalen magneto-optischen Falle bei einer Temperatur von 600 µK gefangen [28]. Die MOT ist heutzutage die Standardtechnik zur Erzeugung kalter atomarer Gase. Die Prinzipien der Laserkühlung werden in den Standardwerken der Physik kalter Atome (z.B. [54]) und vielen Übersichtsartikeln [55, 56] zusammenfassend beschrieben. Von der Vielzahl experimenteller Arbeiten dazu sei hier nur diejenige von Townsend et al. erwähnt, in der eine große Zahl systematischer Studien zur Laserkühlung durchgeführt wurde [57, 58]. An dieser Stelle möge eine kurze Zusammenfassung genügen. Befindet sich ein Atom im Feld eines nahresonanten Laserstrahls mit Wellenvektor k L , so kann das Atom ein Photon absorbieren, wodurch es einen Impuls k L aufnimmt. Durch die folgende spontane Emission kommt ein weiterer Impuls hinzu, der allerdings keine Vorzugsrichtung besitzt. Durch Mittelung über viele Zyklen verschwindet dieser Beitrag. Das Atom erfährt eine Kraft F = k L Γ(I, δ), wobei Γ(I, δ) die pro Zeit absorbierte Anzahl an Photonen, die Streurate, darstellt. Diese hängt sowohl von der Intensität I als auch von der Verstimmung (Detuning) δ = ω L −ω 0 der Laserfrequenz ω L gegenüber der atomaren Resonanz bei ω 0 ab. Zur Kühlung kommt es allerdings erst, wenn der Impulsübertrag zu einer Verminderung der Geschwindigkeit führt. Dazu erzeugt man ein Feld von drei (zumeist senkrechten) Paaren gegenläufiger Laserstrahlen, die leicht rotverstimmt gegen den verwendeten Dipolübergang sind. Die Atome absorbieren dann auf Grund des Dopplereffekts vermehrt Photonen aus denjenigen Laserstrahlen denen sie entgegenlaufen. Die Wirkung des Lichtes auf die Atome lässt sich innerhalb gewisser Grenzen durch eine Reibungskraft beschreiben, die proportional zur Geschwindigkeit ist. Eine solche Anordnung wird auch dreidimensionale optische Melasse (engl. ” optical 3 Die Dispenser stammen von der Fa. SaesGetters und beinhalten 4.5 mg Rubidium. 4 Die Lebensdauer beträgt bei diesem Strom mindestens zwei Jahre.
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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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Danksagung An dieser Stelle möchte
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