Diplomarbeit Christian Hauswald

Kapitel 1. Grundlagen der LaserkühlungNeben der beschriebenen σ + σ − -Konfiguration gibt es eine weitere Möglichkeit Atome mitHilfe von Polarisationsgradienten zu kühlen. In der so genannten lin ⊥ lin-Konfigurationsind die beiden gegenläufigen Strahlen linear senkrecht zueinander polarisiert. Dies führtdazu, dass die Atome im Bereich der OM einem sinusförmig modulierten, lichtinduziertenPotential ausgesetzt sind. Die Atome verlieren innerhalb dieses Potentials immer dannkinetische Energie, wenn sie sich gerade am Ort eines Potentialhügels befinden, dort einPhoton absorbieren und daraufhin ein Photon mit höherer Frequenz, also größerer Energieemittieren, um schließlich in einem Zustand zu landen, für den das Potential ein Taldarstellt.Dieser Effekt wird auch als Sisyphus-Kühlung bezeichnet und wurde ebenfalls vonC. Cohen-Tannoudji und J. Dalibard theoretisch beschrieben [21]. Die minimalen Temperaturenwelche mit dieser Konfiguration erreicht werden können, sind für 85 Rb etwasniedriger als in der σ + σ − -Konfiguration. Eine Kombination der lin ⊥ lin-Konfigurationmit einer magneto-optischen-Falle ist jedoch nicht möglich, wie im folgenden Abschnitt 1.4deutlich wird. Aus diesem Grund wird in unserem Experiment die σ + σ − -Konfigurationangewandt.Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, dass auch Möglichkeiten bestehen,unter die Rückstoßtemperatur zu kühlen. Dabei ist vor allem das Verdampfungskühlen zunennen, welches es ermöglicht, Atome auf wenige Nanokelvin zu kühlen und damit z. B.Bose-Einstein-Kondensate zu erzeugen [22, 23].1.4 Die magneto-optische FalleMit einer optischen Melasse können Atome wie beschrieben in einer Vakuumapparaturz. B. aus der thermischen Verteilung eines Hintergrundgases abgebremst und damit gekühltwerden. Um aus dieser Konfiguration jedoch eine echte Atomfalle zu konstruieren, bedarfes einer speziellen Wahl der Polarisation der sechs Laserstrahlen und eines inhomogenenMagnetfeldes mit konstantem Gradienten, wie im Folgenden näher erläutert wird. Erstmaliggelang die Umsetzung der magneto-optischen Falle (MOT) E. Raab et. al., wobei 10 7Na-Atome auf eine Temperatur von ∼ 600 µK gekühlt und für zwei Minuten gespeichertwerden konnten [24].Der grundlegende Aufbau der MOT unterscheidet sich nur geringfügig von dem einer OM.Ein schwaches Quadrupol-Magnetfeld mit einem Feldgradienten von etwa 10 G/cm imZentrum erzeugt durch zwei stromdurchflossene Spulen in Anti-Helmholtz-Konfigurationeine ortsabhängige Aufspaltung der Energieniveaus des Atoms durch den Zeeman-Effekt,was zu einer räumlich modulierten Spontankraft führt.Als Beispiel stelle man sich ein Atom vor, dessen Grundzustand einen Gesamtspin vonF = 0 und dessen angeregter Zustand einen Gesamtspin von F = 1 hat. In der Mitte zwischenden beiden Spulen ist das Magnetfeld B = 0 und steigt von dort in alle Richtungenlinear an, was zu einem konstanten Gradienten führt. Dabei gilt aufgrund der Quellenfreiheitdes Magnetfeldes∂B x∂x = ∂B y∂y = −1 ∂B z2 ∂z . (1.15)10