Helle atomare Solitonen - KOPS - Universität Konstanz

14 KAPITEL 1. EXPERIMENTELLER AUFBAU
molasses“) genannt. Man kann dadurch die Atome zwar abbremsen, aber nicht fangen,
da die Kräfte positionsunabhängig sind. Legt man zusätzlich einen Magnetfeldgradienten
(normalerweise ein sphärisches Quadrupolfeld) an, so führt dieser auf Grund der unterschiedlichen
Zeeman-Aufspaltung von Grund- und angeregtem Zustand bei geeigneter
Polarisation der Laser zu einer rücktreibenden Kraft ins Zentrum des Quadrupolfelds.
Die Atome bleiben dort gefangen, man spricht von einer magneto-optischen Falle (MOT).
Zunächst dachte man, dass die niedrigste erreichbare Temperatur durch das so genannte
Dopplerlimit T D = Γ
2k B
gegeben ist, wobei Γ die Linienbreite des Dipolübergangs darstellt.
Für Rubidium liegt dieses bei T D = 140 µK, im Experiment wurden jedoch auch
deutlich tiefere Temperaturen gemessen [59, 60]. Man konnte dies durch den Mechanismus
der Polarisationsgradientenkühlung erklären. Die Theorie dazu wurde von Dalibard
und Cohen-Tannoudjii [56] beschrieben. In der Praxis erreicht man dadurch für große
(N > 10 7 Atome) Wolken, wie sie für die Bose-Einstein Kondensation notwendig sind,
eine Temperatur von etwa 40 µK. Zum Vergleich: die Temperatur, die der Rückstoßenergie
eines einzelnen emittierten Photons entspricht ( single photon recoil limit“), beträgt
”
T = 2 ω 2 0
2mc 2 k B
= 180 nK.
Das Termschema
Die folgende Abb. 1.3 zeigt einen Teil des Termschemas von 87 Rb in welches die verwendeten
Übergänge und Laserwellenlängen eingezeichnet sind. Für die Laserkühlung
(Ti:Saphir und Rückpumper) wird Licht verwendet welches nahresonant mit der D2-
Feinstrukturlinie bei 780 nm ist. Als Kühlungsübergang benutzt man die Linie zwischen
den Hyperfeinstrukturniveaus F = 2 → F ′ = 3 von Grund- und angeregtem Zustand.
Der Rückpumper ist notwendig, um Atome, die über den nahresonanten (F = 2)-Zustand
des angeregten Niveau in den F = 1 Grundzustand zerfallen, in den Kühlkreislauf
zurückzuführen. Die Dipolfalle bei 1064 nm (Nd-YAG) und die Stehwelle bei typischerweise
782 nm sind zur Unterdrückung der spontanen Emission nicht resonant mit dem
betrachteten Dipolübergang. Das BEC wird in der Magnetfalle im (F = 2, m F = 2)-
Hyperfeinstrukturzustand erzeugt. Auch in der optischen Dipolfalle bleiben die Atome
durch Anlegen eines konstanten homogenen Magnetfelds spinpolarisiert in diesem Zustand.
1.2.2 Das Lasersystem
Das zur Laserkühlung benötigte Licht in der Nähe des geschlossenen F = 2 → F ′ = 3
Übergangs der D2-Linie wird von einem Titan-Saphir-Laser (Ti:Sa, Coherent MBR-110,
single frequency“ Dauerstrichlaser) erzeugt. Er wird von einem diodengepumpten frequenzverdoppelten
Nd:YAG Laser (Coherent Verdi V10, 532nm) mit 10.5 W gepumpt
”
und liefert typischerweise 1.4 W Ausgangsleistung. Der interne Referenzresonators des
Ti:Sa wird durch dopplerfreie Sättigungsspektroskopie auf den F = 2 → F ′ = (3, 1)-
Crossover-Übergang der D 2 -Linie stabilisiert [61]. Die Laserlinienbreite beträgt weniger
als 500 kHz und ist somit wesentlich kleiner als die natürliche Linienbreite des D2-Übergangs
(Γ = 2π × 5.76 MHz). Neben der Laserkühlung wird das Licht auch für die Absorptionsabbildung
(s. Abschnitt 1.5) der kalten Atome benutzt. Da die Laserfrequenzen
für Funnel, MOT und die Abbildung leicht verschieden sind, durchlaufen die jeweiligen
Strahlen je einen akusto-optischen Modulator (AOM) im Hin-und Rücklauf ( double ”