Ultrakalte Erbiumatome

• Applicant: Professor Dr. Martin Weitz
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2009 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 136846940

Während das Gebiet der ultrakalten atomaren Gase in den ersten Jahren nach der spektakulären Realisierung atomarer Bose-Einstein-Kondensate auf wasserstoffähnliche Alkaliatome beschränkt war, ermöglichen fernverstimmte optische Atomfallen heute auch das Studium anderer atomarer Spezies mit vielfältigen physikalischen Eigenschaften. So gelang durch Verdampfungskühlung in optischen Fallen die Erzeugung von Quantengasen mit starken dipolaren Verlustkanälen bei Atomstößen, womit auch komplexe atomare Systeme wie das Chromatom erkundet werden können. Dennoch arbeiten alle bisherigen Experimente zu Quantengasen mit Atomen, deren gesamter elektronischer Bahndrehimpuls Null entspricht, entsprechend einer S-Grundzustandskonfiguration, womit Einschränkungen in der Vielfalt der Manipulationsmöglichkeiten mit fernverstimmtem Laserlicht verbunden sind.Aufbauend auf erfolgreichen Experimenten zur Bose-Einstein-Kondensation mit vollständig optischen Methoden sowie Arbeiten mit neuartigen, variabel geformten optischen Gittern soll im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens ein Bose-Einstein-Kondensat von Erbiumatomen erzeugt und die vielfältigen Möglichkeiten dieses neuartigen Systems von Atomen Seltener Erden erkundet werden. Im Gegensatz zu den bisher durchgeführten Experimenten mit atomaren Quantengasen verfügt das Erbiumatom mit einem H-Grundzustand (L = 5) über einen von Null verschiedenen elektronischen Bahndrehimpuls. Somit entfällt bei der zustandsabhängigen Manipulation mit Laserlicht die Beschränkung auf vergleichsweise nahresonante und damit dissipative Lichtfelder, deren Verstimmung bei Atomen mit einem S-Grundzustand die Feinstruktur nicht überschreiten darf. Das neue System eröffnet vielfältige Möglichkeiten zur Verwirklichung neuartiger, variabler optischer Gitter sowie der quantenmechanischen Verschränkung in optischen Gitterpotenzialen. Besonders faszinierend ist die Perspektive, durch Verdampfungskühlung eines wechselwirkenden Ensembles solcher Atome im zustandsabhängigen Lichtpotential direkt hoch korrelierte quantenmechanische Zustände zu präparieren, die dann den Grundzustand des Systems darstellen können.Im Rahmen des Forschungsprojekts sollen mittels eines Zeeman-Kühlers abgebremste Erbiumatome in einer magnetooptischen Falle gesammelt und dann in eine quasistatistische optische Falle umgeladen werden. Mit Feshbach-Resonanzen wollen wir die interatomare Wechselwirkung der Erbiumatome kontrollieren und durch Verdampfungskühlung in der Dipolfalle ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugen. Die Zustandsabhängigkeit des Fallenpotenzials ermöglicht neuartige, sehr effiziente Kühlmechanismen, deren Anwendung wir untersuchen wollen. Auch wollen wir erste Eigenschaften dieses neuartigen Quantengases erkunden. Die Perspektive der Arbeiten liegt in der Verwirklichung neuartiger Formen von Quantenmaterie, die von den ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften des Systems der Seltenen Erden ermöglicht wird.

• DFG Programme: Research Grants