Messapparatur für dipolare Quantengase
Final Report Abstract
Zur Erzeugung dipolarer Quantengase aus Dysprosium-Atomen werden im Allgemeinen unterschiedliche Formen von Laser-Kühlung eingesetzt. Die wesentlichen Schritte sind dabei die Erzeugung eines Dysprosium-Atomstrahls im Hochvakuum durch Sublimation, die Abbremsung dieses Atomstrahls durch einen Zeeman-Slower, das Fangen langsamer Atome aus dem Strahl in einer magneto-optischen Falle und die anschließende Verdampfungskühlung der kalten atomaren Wolke in einer optischen Dipolfalle bis hinein in den Bewegungs-Grundzustand des Fallenpotentials. Der Aufbau der dazu notwendigen Vakuumkammer, der Lasersysteme sowie der Aufbau der Experiment-Steuerung wurden bis zur magneto-optischen Falle an der Messapparatur abgeschlossen. Die Optimierung der Kühlschritte und die erzielten Eigenschaften der kalten Atomwolke wurden in der Publikation „Systematic optimization of laser cooling of dysprosium“ beschrieben. Die Publikation kann in der Planungs- und Aufbauphase weiterer Experimente mit kalten Dysprosium-Atomen als Leitfaden herangezogen werden. Des Weiteren wurde die Messapparatur genutzt, um eine neuartige Laser-Kühlmethode am abgebremsten Dysprosium-Atomstrahl zu untersuchen. Im Gegensatz zur häufig genutzten Strahlungsdruck-Kühlung, die auch zur Erlangung der Ergebnisse in der zuvor genannten Publikation zum Einsatz kam, wird bei der so genannten SWAP-Kühlung (Sawtooth Wave Adiabatic Passage) vorwiegend stimulierte Anregung und stimulierte Abregung zum Abbremsen der Atome genutzt, an Stelle von stimulierter Anregung und anschließender spontaner Abregung. Diese Methode könnte vorteilhaft sein, wenn Atome oder Moleküle mit komplexen elektronischen Energieniveaustrukturen gekühlt werden sollen, da sie die Anzahl der spontanen Abregungen während des Kühlens verringert. Damit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass Atome oder Moleküle durch spontane Abregung in metastabile Zustände zerfallen, die nicht mehr vom Kühl-Laser angeregt werden können. Die SWAP-Methode konnte erfolgreich mit Dysprosium-Atomen an der Messapparatur demonstriert werden und die Ergebnisse wurden in der Publikation „Sawtooth wave adiabatic passage slowing of dysprosium“ veröffentlicht. Die komplexe elektronische Anregungsstruktur von Dysprosium bietet auch einen Übergang bei einer Wellenlänge von 1001 nm, der vermutlich spektral sehr schmal ist (in der Größenordnung 50 Hz: Physical Review A 83, 032502 (2011)). In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Professor Wendt ist dieser Übergang erstmals mit Hilfe von Resonanz-Ionisations-Spektroskopie untersucht worden. Dabei wurde die Anregungswellenlänge vermessen und eine untere Grenze für die Lebensdauer des angeregten Zustands bestimmt. Die Ergebnisse sind in der Publikation „Laser spectroscopy of the 1001nm ground state transition in dysprosium“ veröffentlicht worden. Die Ergebnisse dieser Messungen können zur weiteren Untersuchung des Übergangs herangezogen werden und bilden den Ausgangspunkt zur Spektroskopie des Übergangs an kalten Atomen, die momentan an der hier beschriebenen Messaparatur stattfindet. Kürzlich wurden an der Messapparatur erstmals Atome aus der magneto-optischen Falle in eine optische Dipolfalle umgeladen. Dies ermöglicht zum einen Messungen zur genaueren Bestimmung der Lebensdauer des angeregten Zustands des 1001 nm-Übergangs und zum anderen kann in näherer Zukunft als nächster Schritt evaporatives Kühlen angewendet werden, um ein dipolares Quantengas zu erzeugen.
Publications
- Sawtooth wave adiabatic passage slowing of dysprosium
Niels Petersen, Florian Mühlbauer, Lykourgos Bougas, Arijit Sharma, Dmitry Budker and Patrick Windpassinger
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.99.063414) - Laser spectroscopy of the 1001nm ground state transition in dysprosium, Phys. Rev. A Phys. Rev. A 98 042504 (2018)
Dominik Studer, Lena Maske, Patrick Windpassinger and Klaus Wendt
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.042504) - Systematic optimization of laser cooling of dysprosium, Applied Physics B 124:120 (2018)
Florian Mühlbauer, Niels Petersen, Carina Baumgärtner, Lena Maske, Patrick Windpassinger
(See online at https://doi.org/10.1007/s00340-018-6981-2)
