Helle atomare Solitonen - KOPS - Universität Konstanz

2.1. EXPERIMENTELLER ABLAUF 39
Dies erhöht die Dichte der atomaren Wolke um eine Größenordnung auf ∼ 2 × 10 10
Atome/cm 3 . Die Temperatur erhöht sich zunächst ebenfalls, sie wird aber durch die folgende
Melassenkühlung wieder abgesenkt. Man nennt dieses Stadium eine ”
compressed
MOT“ oder ”
CMOT“ [82].
2.1.3 Optische Melasse
Bei Atomen mit magnetischer Unterstruktur kann die durch Laserkühlung erreichbare
Temperatur der Wolke deutlich unter die Dopplertemperatur, welche bei Rubidium
T D = Γ/2k B = 140 µK beträgt, fallen. Der zugrundeliegende Kühlmechanismus ist die
Polarisationsgradientenkühlung, welche ausführlich in [56, 83] beschrieben ist. Er funktioniert
nur falls der ac stark shift größer als der Zeeman-shift ist, das Magnetfeld muss
abgeschaltet werden. Solange Magnetfelder vorhanden sind, erfolgt die Kühlung in ein
bewegtes Bezugssystem ( moving molasses“). Deshalb ist es notwendig sowohl das Erdmagnetfeld
als auch Streumagnetfelder am Ort der Atome zu kompensieren. Dazu werden
”
drei orthogonale Spulenpaare in Helmholtzkonfiguration benutzt. Die Ströme durch diese
Spulen werden eingestellt, indem die Schwerpunktsbewegung der Wolke während der
Melassenphase minimiert wird. Diese Phase, in der die Temperatur auf T ≃ 40 − 50 µK
abgesenkt wird, dauert sieben Millisekunden. Der Einfluss der Gravitation auf die Wolke
ist in dieser kurzen Zeit vernachlässigbar. Auf Grund der Abhängigkeit T ∝ I δ
der Melassentemperatur
von der Laserleistung I und der Verstimmung δ wird die Verstimmung
der MOT-Strahlen auf ∆ = −8 Γ erhöht. Die Leistung wird zu Beginn der Polarisationsgradientenkühlung
auf 65 % und schließlich innerhalb der 7 ms auf 20 % ihres Ausgangswerts
abgesenkt. Am Ende der Melassenkühlung wird das Laserlicht ausgeschaltet,
die Atome werden auf die “dunkle“ Verdampfungskühlung vorbereitet. Um die Atome
in einer Magnetfalle fangen zu können, müssen sie noch spin-polarisiert werden. Die
Phasenraumdichte beträgt zu diesem Zeitpunkt Ω ∼ 3 × 10 −7 .
2.1.4 Optisches Pumpen
In der Magnetfalle können nur Atome im (F = 2, m F = 1 oder m F = 2) -Zustand
gefangen werden 4 , man bevorzugt auf Grund des höheren magnetischen Momentes den
m F = 2 Zustand. Nach der Polarisationsgradientenkühlung liegen die Atome jedoch in
einem Gemisch aller m F -Niveaus des F = 2-Zustands vor. Beim optischen Pumpen wird
resonantes Licht auf dem F = 2 → F ′ = 3-Übergang an den Atomen gestreut. Das
Licht ist σ + -polarisiert und erhöht damit bei Absorption den Drehimpuls in Quantisierungsrichtung.
Die Quantisierungsachse wird von dem wieder eingeschalteten Biasfeld
von B 0 = 3 G vorgegeben. Um die σ + -Polarisation zu gewährleisten, erfolgt das optische
Pumpen genau dann, wenn das Biasfeld in Richtung des Pumpstrahls steht. Die
fünf Pumppulse sind jeweils kürzer als 2.5 µs bei einer Intensität von ≃ 1.5 mW/cm 2 ,
ihr zeitlicher Abstand entspricht der Periodendauer des Biasfelds von 100 µs. Um unabhängig
von Schwankungen in der Intensität des Laserstrahls zu sein, haben die Pulse
keine feste Dauer. Es wird stattdessen die Energie der Pumppulse elektronisch geregelt 5 .
4 Das Magnetfeld ist viel zu klein, um Atome im m F = 0-Zustand auf Grund des quadratischen
Zeeman-Effekts gegen die Schwerkraft halten zu können.
5 Zu Beginn der Arbeiten wurden die Pumppulse nicht geregelt, sondern hatten eine feste Dauer von
2.5 µs [50]. Die Stabilisierung verbesserte die Reproduzierbarkeit der Experimente.