Lichtgebundene Atome

Interferierende Laserstrahlen können ein periodisches Potential für
Atome induzieren, das es erlaubt, ultrakalte Neutralatome in
geordneten Strukturen zu fangen. Diese Ensemble lichtgebundener
Atome werden als optische Gitter bezeichnet. Liegt die Frequenz der
verwendeten Lichtfelder sehr weit unterhalbder nächstgelegenen
atomaren Resonanz, so entstehen quasi-statische Mikrofallen. Sie
eignen sich durch ihre nahezu vollkommene Dissipationsfreiheit
aufgrund der zu vernachlässigenden spontanen Photonenstreuung sehr
gut zur Speicherung und Manipulation von kalten Atomen. In dieser
Arbeit wird über Experimente zur kontrollierten Manipulation
derartiger lichtgebundener Atome berichtet. Mit dem Licht eines
CO2-Lasers der Wellenlänge 10.6 µm wird eine intensive Stehwelle
erzeugt, in der kalte Rubidiumatome in mesoskopischen Dipolfallen
mit einem Gitterabstand von 5.3 µm und bei Lebensdauern von über
drei Sekunden gespeichert werden. Im ersten Teil der Arbeit werden
die Eigenschaften der gespeicherten Atome charakterisiert. Es zeigt
sich, daß die atomare Temperatur empfindlich von der
Fallenlaserintensität abhängt. Für niedrige Intensitäten werden
atomare Temperaturen von 21 µK bei Dichten oberhalb 1013 Atome/cm3
beobachtet. Unter alleinigen Verwendung der Laserkühlung wird damit
eine atomare Phasenraumdichte von 1/300 erreicht, was nur drei
Größenordnungen unterhalbdes Übergangs zur
Bose-Einstein-Kondensation liegt. Bei höheren Intensitäten des
Fallenlasers steigt die Temperatur im Gitter auf 140 µK an, welches
in etwa der Doppler-Temperatur des Rubidiumatoms entspricht. Dies
wird auf die große differentielle Lichtverschiebung der
Atomzustände durch den Fallenlaser zurückgeführt, die die Effizienz
der Subdoppler-Kühlmechanismen verringert. Durch das Erreichen
hoher Vibrationsfrequenzen sowohl in radialer als auch in axialer
Richtung wird erstmals ein dissipationsfreies, eindimensionales
Gitter realisiert, indem der Lamb-Dicke-Bereich in allen drei
Raumrichtungen erreicht wird. Dies ist die Grundlage für ein
angestrebtes Kühlen der Atome in den Grundzustand des Gitters mit
Hilfe des Raman-Seitenband-Verfahrens. Im Rahmen der Arbeit gelingt
es weiterhin, Atome in einzelnen Gitterplätzen mit einem Abstand
von 5.3 µm in einer Fluoreszenzabbildung optisch aufzulösen. Dies
bedeutet den direkten Nachweis der Lokalisierung der in einer
Stehwelle gebundenen Atome, so daß lokale Aspekte dieses optischen
Gitters untersucht werden können. Gleichzeitig erlaubt ein
konfokales Mikroskop, Atome in einzelnen Gitterplätzen mit Hilfe
fokussierter, resonanter Lichtpulse selektiv anzusprechen. Dies
eröffnet im Prinzip die Möglichkeit der Präparation und des
Auslesens von Zuständen einzelner Atome, wie sie für eine
Realisierung quantenlogischer Experimente in optischen Gittern
erforderlich ist. In weiteren Experimenten werden gepulste
Raman-Übergänge an kalten Rubidiumatomen untersucht, die in der
CO2-Laser Dipolfalle gefangen sind. Dabei können
Mehrphotonen-Übergänge zwischen zwei Zeeman-Grundzustandsniveaus
beobachtet werden, sofern die Differenzfrequenz der beiden
Raman-Laserstrahlen einer Subharmonischen der Frequenz des
Zweiphotonenübergangs entspricht. Man kann diese Resonanzen als
Mehrphotonen-Ramanübergänge interpretieren, bei denen n
Photonenpaare beteiligt sind. Dabei zeigte sich sowohl
experimentell als auch theoretisch, daß die Linienbreiten der
höheren Subharmonischen deutlich unterhalbder durch die
RamanpulsAlänge gegebenen Fourier-Breite liegen. Man findet weiter,
daß das genaue Skalieren der Linienbreiten mit der beteiligten
Photonenzahl von der verwendeten Form der Pulseinhüllenden abhängt.