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Auf dem Weg zum Calcium Bose-Einstein-Kondensat – Einfang von ultrakalten Calciumatomen in optischen Dipolfallen

13.10.2009

Analog zur kohärenten Strahlung eines Lasers stellt ein Bose-Einstein-Kondensat eine kohärente Quelle von Atomen dar, bei denen sich alle Atome im selben Quantenzustand befinden. Die Bose-Einstein-Kondensation tritt auf, wenn sich die atomaren Wellenfunktionen überlagern. Dies bedeutet, dass die de-Broglie-Wellenlänge der Atome größer werden muss, als der mittlere Abstand zweier Atome, was bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt erreicht werden kann. Die Phasenraumdichte liegt dabei in der Ordnung von 1. Es wird erwartet, dass sich durch die Verwendung eines Bose-Einstein-Kondensats gegenüber den bisherigen thermischen Quellen die Genauigkeit vieler Messungen steigern lässt.

Für Präzisionsmessungen wie Atominterferometer und optische Uhren sind Erdalkali-Atome besonders geeignet, da sie aufgrund ihrer atomaren Struktur schmale Spektrallinien besitzen. Allerdings können auf Grund dieser Struktur die Atome nicht so einfach mit Laserlicht gekühlt und auch nicht in magnetischen Fallen gespeichert werden, was bisher für diese Elemente – mit Ausnahme des Erdalkali-ähnlichen Ytterbiums – die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten verhindert hat.

Im Aufbau der PTB werden Calciumatome durch eine zweistufige Laser-Kühlung auf ca. 15 µK abgekühlt und in eine optische Dipolfalle geladen. In Voruntersuchungen konnten wir zeigen, dass für einen effizienten Einfang die Wellenlänge der Dipolfalle so gewählt sein muss, dass die Kühllinie der zweiten Kühlstufe nicht verschoben wird. Daher betreiben wir die Falle mit einem 25 W Yb:YAG-Scheibenlaser bei 1032 nm, der auf einen Durchmesser von 60 µm fokussiert wird und den ultrakalten Atomen überlagert wird. Es werden 6·106 Atome in einem Zigarren-förmigen Volumen mit einer Abmessung von 150 µm x 10 µm x 10 µm bei einer Temperatur von 16 µK gefangen, was einer Phasenraumdichte von 4·10-3 entspricht. Zur weiteren Erhöhung der Dichte wird nach Abschalten der Laserkühlung fast senkrecht zur ersten Dipolfalle eine zweite Dipolfalle langsam angeschaltet. Dadurch sammeln sich zirka ein halbe Million Atome im Kreuzungsbereich an, wo dann eine Phasenraumdichte von 0,06 bei einer Temperatur von 12 µK erreicht wird.

Zum Erreichen der Bose-Einstein-Kondensation ist nur noch eine Verringerung der Temperatur um weniger als eine Größenordnung erforderlich. Diese Abkühlung soll durch Verdampfung der jeweils energiereichsten schnellsten Atome erreicht werden kann, indem die Fallentiefe nach und nach verringert wird.

                                                           Falschfarbendarstellung der gespeicherten Atome für verschiedene Zeiten nach Abschalten der magnetooptischen Falle und Einschalten der zweiten Dipolfalle.

Abb. 1: Falschfarbendarstellung der gespeicherten Atome für verschiedene Zeiten nach Abschalten der magnetooptischen Falle und Einschalten der zweiten Dipolfalle.

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Fachbereich:
4.3, Quantenoptik und Längeneinheit
Arbeitsgruppe:
4.32, Quantenoptik mit ultrakalten Atomen