Ultrakalte Erbiumatome in einer CO₂-Laser Dipolfalle

Abstract

Mit Hilfe ultrakalter Gase sind in der Physik zahlreiche neue Forschungsgebiete erschlossen worden, es gelang beispielsweise die Realisierung atomarer Bose-Einstein Kondensate und atomarer quantenentarteter Fermigase oder auch die Beobachtung einer neuartigen Molekülphysik bei ultrakalten Temperaturen. Während ultrakalte Quantengase in den ersten Jahren nach ihrer erstmaligen Realisierung nahezu ausschließlich auf Alkaliatome beschränkt waren, gelang in den letzten Jahren auch die Verwirklichung von Quantengasen mit Atomen komplexerer innerer Struktur, wie den seltene Erden Elementen Erbium und Dysprosium, die anders als die wasserstoffähnlichen Alkaliatome einen von Null verschiedenen elektronischen Bahndrehimpuls im Grundzustand besitzen. Damit öffnen sich neue Möglichkeiten der Manipulierbarkeit mit fernverstimmtem Laserlicht. Eine andere Eigenschaft dieser Elemente ist der starke dipolare Charakter, welcher in neuartige Wechselwirkungseigenschaften dieser Atomgase resultiert.<br /> Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein ultrakaltes Gas von Erbiumatomen erzeugt, das in dem extrem weit von den atomaren Resonanzen verstimmten, quasi-elektrostatischen Lichtfeld eines CO₂-Lasers der Wellenlänge 10,6 μm gespeichert wurde. Zur Erzeugung des kalten atomaren Gases wurde zunächst mit einem Erbium-Atomofen ein effusiver Atomstrahl erzeugt, welcher mit Hilfe eines Spin-Flip-Zeemankühlers auf eine Geschwindigkeit von etwa 47 m/s abgebremst wird. Somit lassen sich die Atome in einer magneto-optischen Falle fangen. Für diese wird Licht der Wellenlänge λ=400,91 nm verwendet. Insgesamt können so bis zu 2x10⁸ Atome gefangen werden. Die beobachtete Geschwindigkeitsverteilung der Erbiumatome in der magneto-optischen Falle lässt sich mit einer bimodalen Verteilung beschreiben. Der höherenergetische Anteil entspricht etwa einer thermischen Verteilung der Temperatur 3 mK, was oberhalb der Doppler-Temperatur des verwendeten Erbium-Übergangs von 0,7 mK liegt, der niederenergetische Anteil liegt mit einer äquivalenten Temperatur von 220 μK deutlich darunter.<br /> Aus dieser magneto-optischen Falle werden bis zu 8x10⁵ Erbiumatome in ein Dipolfallenpotential umgeladen, das durch den fokussierten Laserstrahl eines CO₂-Lasers der Wellenlänge 10,6 μm gebildet wird. Die Frequenz dieses infraroten Lasers liegt etwa eine Größenordnung unterhalb der niedrigsten elektronischen Resonanz des Erbiumatoms. Dennoch wird durch die statische Polarisierbarkeit des Atoms seltener Erden ein Dipolfallenpotential gebildet, in dem die ultrakalten Atome gespeichert werden können. Direkt nach dem Umladen beträgt die Temperatur der Atome etwa 230 μK und die Phasenraumdichte liegt bei ρ=8,8x10^-7. Die 1/e-Speicherzeit in der Dipolfalle beträgt 22,0 s, was hinreichend lange ist dass das Ensemble durch Absenken des Potentials evaporativ gekühlt werden konnte. Nach der Evaporation wurde ein Ensemble von 12.000 Erbiumatomen bei einer Temperatur von 1,9 μK beobachtet, die berechnete Phasenraumdichte der Erbiumatome in der weitverstimmten Dipolfalle beträgt ρ=4,8x10^-3.<br /> In zukünftigen Arbeiten sollte sich durch die Verwendung eines Kühllasers bei 583 nm zur Realisierung der magneto-optische Falle eine Steigerung der in die Dipolfalle umladbaren Atomzahl um mehr als eine Größenordnung bei gleichzeitig deutlich niedrigeren Temperaturen erreichen lassen, was die Startbedingungen für die Verdampfungskühlung weiter verbessern würde und eine Kühlung des Ensembles von Erbiumatomen bis zur Bose-Einstein Kondensation ermöglichen sollte. Mit dem dann erzeugten Quantengas von Atomen seltener Erden sollte die Erzeugung vielfältiger Formen neuartiger atomarer Quantenmaterie in weitverstimmten Lichtpotentialen möglich werden, wie topologischer Materie im Bereich des gebrochen-zahligen Quanten-Hall Effekts in synthetischen Magnetfeldern.