Helle atomare Solitonen - KOPS - Universität Konstanz

Zusammenfassung
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der kohärenten Wellenpaketdynamik eines Bose-
Einstein Kondensats (BEC) aus 87 Rubidium Atomen. Diese wird durch die lineare Dispersion,
auf Grund der endlichen Impulsbreite der Materiewelle, und durch die nichtlineare
Wechselwirkung zwischen den Atomen durch s-Wellenstreuung bestimmt. Das
besondere Interesse bestand dabei an der experimentellen Erzeugung heller atomarer
Solitonen. Sie entstehen falls sich die Effekte der Dispersion und der Nichtlinearität
kompensieren. Es bildet sich eine lokalisierte Materiewelle mit zeitunabhängiger Dichteverteilung
aus. In einem BEC mit repulsiver Wechselwirkung, wie es für 87 Rb der Fall
ist, erfordert dies eine anomale Dispersion des Ensembles. Die Dispersion der Wellenpakete
kann sowohl in der Größe als auch im Vorzeichen geändert werden, indem man das
BEC einem periodischen Potential kontrollierbarer Tiefe aussetzt und den Quasiimpuls
gezielt verändert.
Es wurde zunächst eine Apparatur zur Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten
aus 87 Rb Atomen, als Quelle kohärenter Materiewellen, errichtet und charakterisiert:
Man fängt durch die Methode der Laserkühlung eine kalte atomare Wolke in einer
magneto-optischen Falle, welche sich im Inneren einer Ultrahochvakuumkammer befindet.
Nach dem Transfer in eine nicht dissipative Falle, erfolgt die notwendige weitere
Kühlung des Ensembles durch selektive Entfernung hochenergetischer Teilchen. Der
Phasenübergang zum Bose-Einstein Kondensat wurde sowohl in einer rein magnetischen
Falle als auch in einer konservativen optischen Dipolfalle beobachtet. Die Atomzahl innerhalb
des Kondensats kann durch Variation der experimentellen Parameter im Bereich
zwischen 10 3 und 10 5 Teilchen eingestellt werden. Die Experimente zur Untersuchung der
Materiewellendynamik wurden in einer zweidimensionalen optischen Dipolfalle durchgeführt.
Diese kann die Atome gegen die Gravitation halten, erlaubt aber gleichzeitig
die freie Propagation entlang der Strahlachse. Das periodische Potential zur Beeinflussung
der Dispersion entsteht durch Interferenz zweier gegenläufiger Laserstrahlen, die
der Dipolfalle räumlich überlagert sind. Durch diese Kombination wurde es erstmals
möglich, die freie Dynamik von Materiewellen in optischen Gittern direkt im Ortsraum
für ”
lange“ Zeiten zu beobachten.
In einer ersten Reihe von Experimenten wurde demonstriert, dass durch Variation
des atomaren Quasiimpulses im periodischen Potential, die lineare Dispersion gezielt
beeinflusst werden kann. Insbesondere erreicht man die, für helle atomare Solitonen notwendige,
anomale Dispersion für Quasiimpulse im Bereich der Bandkante der Brillouinzone.
Dieses Verhalten, das demjenigen eines Teilchens mit negativer effektiver Masse
entspricht, konnte durch Umkehr der zeitlichen Entwicklung eines Wellenpakets auf eindrückliche
Weise nachgewiesen werden.
Die besprochene Demonstration der negativen Masse eines Wellenpakets, war die
wesentliche Voraussetzung zur Erzeugung atomarer Solitonen. Deren Entstehung konnte
beobachtet werden, nachdem es gelungen ist, Bose-Einstein Kondensate mit einer Teilchenzahl
im Bereich von 1000 Atomen zu präparieren. Es handelt sich dabei um die ersten
Solitonen für repulsiv wechselwirkende Atome. Es wurde eine Reihe von systematischen
Messungen durchgeführt, die das solitonische Verhalten der Wellenpakete bestätigten.