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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-76956
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7695/


Käfer, Christoph Anton

Stern-Gerlach experiments with Bose-Einstein condensates and the introduction of a new thermometry method in an optical dipole trap

Stern-Gerlach Experimente mit Bose-Einstein Kondensaten und Einführung einer neuen Thermometriemethode in einer optischen Dipolfalle

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Kurzfassung in Deutsch

Eine in der Geschichte der Physik immer wiederkehrende Frage ist die des Aufbaus der Materie. Schon Demokrit beschäftigte sich mit ihr und etablierte die Idee des Atoms. Rutherfords bekanntes Experiment [1] zu Beginn des 20. Jahrhunderts führte zu einem genaueren Bild des Atomaufbaus. Als Modell wurde von Schrödinger [2] und Heisenberg [3] die Quantenmechanik entwickelt. Damit konnte auch der bekannte Widerspruch von Newton und Huygens im Bereich der Optik gelöst werden: In Youngs [4] Doppelspalt-Experiment wird das Licht als Welle gemäß den Maxwellschen Gleichungen beschrieben, während Planck [6] und Einstein [7] das Licht im Experiment von Hertz [5] als Teilchen beschreiben. Diese Ergebnisse trieben die Quantenmechanik voran und führten zum Welle-Teilchen Dualismus von de Broglie 1924 [8]. Zur gleichen Zeit etwa begann die Geschichte des Bose-Einstein Kondensation (kurz: BEC) mit der Einführung der Bose Statistik [9]. Einstein realisierte als Erster einen neuartigen Phasenübergang einer eingefangenen Atomwolke [10 - 12]. Dieses Phänomen wird heute Bose-Einstein Kondensation genannt.

Bis zur Beobachtung der Superfluidität von Helium durch London und Tisza um 1930 [13, 14] wurde das BEC nicht weiter beachtet. Danach erahnte man jedoch das spannende und fruchtbare Gebiet, das sich hinter dem Phasenübergang verbirgt. Man begann mit der experimentellen Umsetzung. Die ersten Versuche wurden mit atomarem Wasserstoff durchgeführt [15-17] und erreichten beinahe den Phasenübergang, scheiterten letztendlich aber. Unabhängige Versuche zum Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht, die auf den Ideen von Wineland und Dehmelt [18], Hänsch und Schawlow [19], sowie Letokov [20] und auch auf der Einführung des Lasers durch Maiman [21] um 1960 basierten, gelangen etwa zur gleichen Zeit. Mitte der 80er Jahre des 20. Jahrhunderts konnte Raab [22] erstmals eine Magneto-Optische Falle (MOT) betreiben. Diese MOT ist heutzutage das alltägliche Werkzeug zum Vorkühlen der Atome auf dem Weg zur Kondensation. Hess [23] vermutete 1985, dass magnetische Fallen der Schlüssel zum Erreichen des Kondensats sein könnten. Ständiges Weiterentwickeln und Verbessern dieser Techniken führte schließlich 1995 zur ersten Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats [24, 25]. Wie schon vorhergesagt war dieser Schritt nur der Zündfunke für vielerlei neue Experimente mit ultra-kalten Atomen, die zum Beispiel zum Verständnis der Supraleiter und der Molekülbildung [27-32] beitragen.

Atome können nicht nur mit magnetischen Kräften, sondern auch mit rein optischen Kräften gefangen werden [33]. Anfang der 1980er Jahre konnte Chu [34, 35] das evaporative Kühlen in einer optischen Falle experimentell nachweisen. Chapman [36] hatte 2001 als Erster ein Kondensat in einer optischen Dipolfalle erzeugt. Optische Fallen haben den Vorteil, dass man unterschiedliche Elemente und auch magnetische Unterzustände eines Atoms fangen und damit kühlen kann. In den optischen Fallen kann der Magnetismus von ultra-kalten Atomen untersucht werden [37, 38].

Die Experimente in unserer Gruppe wurden mit Rubidium-87 in einer optischen Dipolfalle durchgeführt. In Kapitel 1 dieser Arbeit werden die Theorie des Fangens und Kühlens von Atomen und der generelle Aufbau besprochen. In Kapitel 2 widmen wir uns der experimentellen Untersuchung des Kühlverlaufs in unserer Dipolfalle und vergleichen dies mit unserer klassischen Simulation. Diese berücksichtigt alle experimentellen Bedingungen unseres Aufbaus. Kapitel 3 handelt von den kalten Atomen selbst. Hier zeigen wir die Ergebnisse zu unseren Stern-Gerlach Experimenten, bei denen wir mithilfe eines Magnetfeldgradienten die gefangenen Atome in der Dipolfalle beeinflussen. Damit kann nicht nur eine vollständige Säuberung des Fallenvolumens von magnetfeld-sensitiven Atomen erreicht, sondern auch eine neuartige, nicht destruktive Methode zur Temperaturbestimmung realisiert werden.


Kurzfassung in Englisch

Curiosity is probably the most important incentive for humans to break through frontiers in science and to extent their knowledge. A recurring question is that of Demokrit who wondered about the structure of matter and established the idea of an "indivisible" particle, the atom. In 1910, Rutherford made pioneering experiments in this field. As a model for understanding the structure of an atom, Schrödinger and Heisenberg established quantum mechanics. This development also helped to resolve a conflict in optics: Newton and Huygens had the well known dispute about the structure of light. Young's experiments lead to the description of light as a wave based on Maxwell's equations, whereas the experiments of Hertz lead to the particle description of Planck and Einstein. These results
forced the development of quantum mechanics and led to the wave-particle duality introduced by de Broglie in 1924. At the same time, the history of Bose-Einstein condensation, or BEC, began with the notion of Bose statistics. Einstein realized an interesting phase transition of the trapped atom cloud: A separation is effected; one part condenses, the rest remains a saturated ideal gas. This phenomenon, which can be reached with ultra-cold atoms at high densities, is now known as Bose-Einstein condensation.

Until the observation of superfluidity of liquid helium by London and Tisza in the 1930s, the Bose-Einstein prediction was almost completely ignored. But after that the expected rich new field behind the condensate led to growing interest in its experimental realization, even if it demanded tremendous experimental effort. The first attempts began with atomic hydrogen and reached almost the degenerated regime or Bose-Einstein condensation. However, these experiments failed because hydrogen stuck to the very cold helium surface of the refrigerator cell and recombined. Independent investigations on cold atoms at almost the same time resulted in laser cooling and trapping, based on the ideas of Wineland and Dehmelt, Hänsch and Schawlow as well as Letokhov and on the invention of the laser by Maiman in the 1960s. In 1986, the first Magneto-Optical Trap (MOT) was demonstrated by Raab

The MOT nowadays is the essential first step to trap and pre-cool atoms for reaching Bose-Einstein condensation. In the 1980s, Hess realized, after experiencing the limits of cooling in the refrigerator cell, that magnetic trapping of atoms and cooling by evaporation of hot atoms would avoid the problems of the refrigerator cell and possibly lead to Bose-Einstein condensation. By improving these trapping and cooling techniques in 1995, the first Bose-Einstein condensates were realized. In 2001, the Nobel prize in physics was awarded to Wieman, Cornell and Ketterle for their successful work in the field of Bose-Einstein condensation. As predicted before, the realization of the condensate sparked many investigations in the field of ultra-cold atoms. The collisions of cold atoms can serve as an example as well as the formation of molecules and vortices, which are linked to superfluidity.

Instead of magnetic trapping, atoms can also be trapped purely by optical forces. In the early 1970s, Ashkin trapped particles by radiation. In the 1980s, Chu published the first work on optical trapping of atoms and demonstrated that evaporative cooling in an optical dipole trap is possible. Chapman was the first to realize a Bose-Einstein condensate in an all optical way by using two crossed laser beams in 2001. An optical trap has the advantage to be able to trap different species, hyperfine or spin states. As an unique characteristic, only with an optical trap magnetism can be investigated in an ultra-cold gas of atoms.

The experiments in our group are conducted with Rubidium-87. The atoms, pre-cooled in a MOT, are trapped by purely optical means in a single running laser beam. Chapter 1 contains the theory of trapping and cooling and a particular description of our setup. In the framework of this thesis, we want to describe and understand the cooling process in an optical dipole trap in detail. Evaporation as the principle of the cooling process is theoretically described for magnetic traps by Walraven and also by the scaling laws of O'Hara for an optical trap ignoring gravitational effects. In Chapter 2, we experimentally investigate the course of forced evaporation and compare it to the results of a classical model tailored to our experimental conditions. Our model includes gravity and it accounts for the characteristics of a purely optical trap during the forced evaporation process. Chapter 3 deals with the trapped sample of ultra-cold atoms itself. By applying a magnetic field gradient to the atoms, we perform a series of Stern-Gerlach experiments with magnetic field sensitive atoms. Not only a spatial rearrangement or a splitting of cold atom clouds and condensates is possible. We also demonstrate a complete cleaning of the dipole trap from magnetic field sensitive substates and introduce a unique way of non-destructive thermometry of cold atoms.


SWD-Schlagwörter: Bose-Einstein-Kondensation
Freie Schlagwörter (deutsch): kalte Atome , Dipolfalle
Freie Schlagwörter (englisch): cold atoms , dipole trap
PACS Klassifikation 37.10.De 3
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Helm, Hanspeter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.07.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 24.08.2010
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