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PTB-Opt-65

Neuartige Kühlmethoden zur Erzeugung ultrakalter Ca-Atome

Autor(en): Tomas Binnewies
Herausgeber: Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Report Typ: PTB-Report
Jahr: 2002
Seite(n): 83 S.
ISBN: ISBN 3-89702-799-7 ; ISSN 0341-6712
Zusammenfassung: Atominterferometrie mit Erdalkalimetallen wird trotz der enormen Möglichkeiten der Laserkühlung noch immer durch die Bewegung der Atome begrenzt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb zwei neue Kühlverfahren entwickelt und untersucht, die die Temperatur von Calciumatomen in einer bzw. drei Dimensionen um mehr als zwei Größenordnungen unter die bisherige Grenze, das Dopplerlimit auf dem Übergang 1S0.nosub. - 1P1.nosub. (TD.nosub. ca. 1 mK), reduzieren. Beide nutzen die hohe Geschwindigkeitsselektivität der schmalen Interkombinationslinie 1S10 - 3P1.nosub. zur Nachkühlung eines in einer konventionellen magneto-optischen Falle (MOT) gekühlten Ensembles von Calciumatomen.
Bei dem von uns "Maxwells-Dämon-Kühlung" genannten Verfahren werden aus dem vorgekühlten Ensemble in einer Dimension die langsamsten Atome durch Selektionspulse auf dem Interkombinationsübergang ausgewählt. Die gewünschte Geschwindigkeitsbreite kann dabei durch die Dauer der Selektionspulse und die mittlere Geschwindigkeit durch die Verstimmung zur Resonanz eingestellt werden. Um langsame Atome zu akkumulieren, werden die selektierten Atome optisch in die magnetischen Unterzustände des 3P1.nosub.-Zustands gepumpt, die Grundzustandsgeschwindigkeitsverteilung durch eine sogenannte optische Melasse auf dem Kühlübergang 1S0.nosub.-1P1.nosub. rethermalisiert und das ganze Schema mehrfach wiederholt. Die erreichten Geschwindigkeitsverteilungen mit vrms.nosub. ca. 4 cm/s in einer Dimension sind durch die spontanen Zerfälle beim Umpumpen limitiert.
Der Einsatz der so gekühlten Atome in einem Ramsey-Bord.eacute.-Atominterferometer, das Laserstrahlen als Strahlteiler verwendet, führt zu einem deutlich höheren Kontrast der Interferenzsignale . In einem einfachen Interferometer im Zeitbereich mit drei Strahlteilerpulsen aus einer Richtung konnte der Kontrast von 30 % auf etwa 50 % gesteigert werden. Der Kontrast wird bei den kleinen Geschwindigkeitsbreiten in Richtung der Strahlteilerpulse nicht mehr durch deren Fourierbreite begrenzt, sondern dadurch, dass die Atome senkrecht zum Laserstrahl aus dem Wechselwirkungsbereich laufen.
Um auch diese Bewegung zu reduzieren, die insbesondere zu unerwünschten Phasenverschiebungen bei der Atominterferometrie führt und so z.B. die Unsicherheit von Frequenznormalen erhöht, wurde ein dreidimensionales Kühlverfahren entwickelt.
Bei der sogenannten "Quench-Kühlung" wird eine MOT auf dem Interkombinationsübergang genutzt, deren Dopplerlimit wegen der kleinen Linienbreite weit unter dem Rückstoßlimit liegt. Um die daraus folgende kleine Kraft zu erhöhen, wurde die Lebensdauer des angeregten Zustandes durch einen Rückpumplaser verkürzt. Durch dieses "Quenchen" wird die effektive Streurate auf dem Interkombinationsübergang so weit erhöht, dass ein Einfang der vorgekühlten Atome gegen die Gravitation möglich wird. Schon nach wenigen Millisekunden Kühlung werden, bei einer Umladeeffizienz von mehr als 10 %, Geschwindigkeitsverteilungen mit vrms.nosub. ca. 5 cm/s erreicht, die nur wenigen Rückstößen der beteiligten Photonen entsprechen.
Erste Kamerabilder der ultrakalten Atomwolke zeigen, dass diese etwa die gleiche Ausdehnung wie die der vorgekühlten Atome hat.
Damit wird insgesamt eine Zunahme der Phasenraumdichte um mehr als zwei Größenordnungen abgeschätzt.
Die Möglichkeit, auf sehr schmalen Linien zu kühlen, wird für die bisher nicht in den Mikrokelvin - Bereich kühlbaren Erdalkalielemente Ca und Mg viele neue experimentelle Perspektiven eröffnen.
Bemerkung: Neuartige Kühlmethoden zur Erzeugung ultrakalter Ca-Atome ; (PTB-Bericht PTB-Opt-65) ; Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2001

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