Sympathetisches Kühlen in einer Rubidium-Cäsium-Mischung

Abstract

Diese Arbeit präsentiert Experimente zur Erzeugung ultrakalter Rubidium-Cäsium-Mischungen in einer Magnetfalle. Das langfristige Ziel des Experimentes ist die Untersuchung der Wechselwirkung weniger Cäsiumatome mit einem Bose-Einstein Kondensat aus Rubidiumatomen. Insbesondere soll durch kontrollierte Variation der Cäsiumatomzahl der Übergang in der Beschreibung der Wechselwirkung durch Konzepte der Ein-Teilchen-Physik zur Beschreibung durch Konzepte der Viel-Teilchen-Physik untersucht werden.<br /> Die Rubidiumatome werden in einer magneto-optischen Falle (MOT) gefangen und von dort in eine Magnetfalle umgeladen. In dieser werden die Rubidiumatome im Zustand |f=2,m_f=2> des elektronischen Grundzustands gespeichert und mittels mikrowelleninduzierter Übergänge in den Zustand |f=1,m_f =1> evaporativ gekühlt (Mikrowellenkühlung). Die Cäsiumatome werden ebenfalls in einer MOT gefangen und in dieselbe Magnetfalle umgeladen, in der sie im Zustand |f=4,m_f=4> des elektronischen Grundzustandes gemeinsam mit Rubidium gespeichert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Hyperfeinaufspaltung wird nur Rubidium evaporativ gekühlt, während Cäsium sympathetisch - d.h. durch thermischen Kontakt über elastische Stöße mit Rubidiumatomen - mitgekühlt wird. <br /> Die ersten beiden Kapitel enthalten eine Beschreibung interatomarer Wechselwirkungen in ultrakalten Gasen sowie eine kurze Zusammenfassung theoretischer Konzepte in der Beschreibung von Bose-Einstein Kondensaten. <br /> Die Kapitel 3 und 4 beinhalten eine kurze Darstellung der im Experiment angewandten Methoden zur Erzeugung ultrakalter Gase sowie des experimentellen Aufbaus; insbesondere ist im Rahmen dieser Arbeit ein neues Spulensystem entworfen und in den Aufbau integriert worden, das im Hinblick auf zukünftige Experimente zusätzlichen optischen Zugang für eine optische Falle bietet. Zudem enthält das vierte Kapitel eine ausführliche Beschreibung des experimentellen Zyklus, der verwendet wird, um Rubidium- und Cäsiumatome gemeinsam in die Magnetfalle zu speichern. <br /> Das letzte Kapitel schließlich enthält die experimentellen Ergebnisse sowie deren Analyse. In Experimenten, die nur Rubidium involvieren, wird Rubidium mit Hilfe der Mikrowellenkühlung gekühlt; dabei wird eine unerwünschte Bevölkerung des Zustandes |f=2,m_f=1> beobachtet, die die Kondensation verhindert. Die Population des Zustandes |f=2,m_f=1> wird systematisch untersucht. Die kontinuierliche Entleerung des Zustandes |2,1> mittels einer zweiten eingestrahlten Mikrowellenfrequenz erlaubt die Erzeugung von Rubidium-Kondensaten aus 10⁵ Atomen nach 23 s evaporativen Kühlens. <br /> Durch selektives Mikrowellenkühlen der Rubidiumatome werden die Rubidium-Cäsium-Mischungen bis auf 700 nK gekühlt. Mittels eines einfachen Modells wird das sympathetische Kühlen von Cäsium analysiert, was eine erste Charakterisierung der Rubidium-Cäsium-Wechselwirkung erlaubt.