Kollektive Effekte und stoßinduzierte Redistributionskühlung in dichten atomaren Gasen

Abstract

Manchmal lassen sich in der Physik auch aus alten Ideen neue Funken schlagen. Der großartige Gedanke, Materie mit Licht zu kühlen, wurde 1929 von Peter Pringsheim eher beiläufig in die Welt gesetzt. Während Dopplerkühlung ansetzte, Teile der Physik zu revolutionieren, wurde Pringsheims Idee in neuer Form ein zweites Mal 1978 von Paul Berman und Stig Stenholm formuliert. Ohne dies zunächst gewusst zu haben, wurde in dieser Arbeit das 'klassische' Gebiet der atomaren Druckverbreiterung neu untersucht, und Pringsheims ursprüngliche Idee konnte realisiert werden. <br /> In dieser Arbeit werden Untersuchungen an dichten atomaren Gasgemischen, bestehend aus atomarem Rubidium und einigen hundert Bar eines Edelgases, beschrieben.<br /> Optische Übergänge werden unter diesen Bedingungen extrem stark verbreitert, wobei die typische erreichte Linienbreite in der Größenordnung der thermischen Energie in Frequenzeinheiten, d.h. k-(B)T/h, liegt. Zusätzlich können während der Stöße stattfindende optische Übergänge Energie zwischen den äußeren und inneren Freiheitsgraden der Atome umverteilen. Diese Eigenschaft wird hier in zwei Ansätzen betrachtet, mit theoretischen Modellen beschrieben und experimentell umgesetzt.<br /> Für die Untersuchungen bei extrem hohen Puffergasdrücken wurden Spektroskopiezellen entwickelt, mit denen man über einen weiten Bereich Temperatur, Puffergasdruck und Rubidium-Teilchenzahldichte variieren kann.<br /> Im Rahmen der Arbeit wurde die Thermalisierung der inneren Freiheitsgrade der Rubidiumatome am thermischen Bad der Puffergasatome untersucht. In einem theoretischen Modell wird hierzu die Druckverbreiterung bei stark sättigender Laseranregung im Bild gekoppelter Atom-Licht-Zustände untersucht. Ein Kennzeichen der Thermalisierung der inneren Freiheitsgrade der Rubidiumatome am Puffergasbad, das sich aus diesem Modell ergibt, ist eine drastische Änderung der Linienform des angeregten Zustands. Während man weit ab vom thermischen Gleichgewicht ein Lorentz-förmiges Profil beobachtet, erwartet man bei vollständiger Thermalisierung eine Fermi-Dirac-Verteilung.<br /> Experimentell nachgewiesen werden konnte eine starke Asymmetrie der Linienform abhängig von der eingestrahlten Laserintensität. Im Rahmen des zugrundegelegten Modells wird dies als teilweise etabliertes thermisches Gleichgewicht gedeutet.<br /> Um in zukünftigen Experimenten einen stärkeren räumlichen Einschluss und eine zusätzliche Leistungsüberhöhung des Lichts zu realisieren, wurden in weiteren Experimenten metallische Mikroröhrchen in die Hochdruckzelle integriert. Die verwendeten Mikroröhrchen sind eine relativ neue Entwicklung aus der Materialforschung und wurden bisher noch kaum in spektroskopischen Anwendungen genutzt. In dem untersuchten Hochdrucksystem sind die metallischen Mikroröhrchen eine vielversprechende Alternative zu quarzbasierten Wellenleitern und Resonatoren, die schlecht mit dem heißen und chemisch aggressiven Rubidiumdampf verträglich sind. In ersten Versuchen konnte eine hohe thermische und chemische Stabilität der Mikroröhrchen in der heißen Hochdruckumgebung beobachtet werden. Weitere spektroskopische Untersuchungen zeigten eine Erhöhung der Atom-Licht-Wechselwirkung durch den Einsatz dieser Mikroröhrchen. Da sich diese Mikroröhrchen mit zahlreichen Materialien und mit einer großen Bandbreite in ihrer Form und Größe herstellen lassen, kann ihr Einsatz in Zukunft neue experimentelle Ansätze ermöglichen.<br /> Im Rahmen dieser Arbeit gelangen weiter Experimente zur stoßinduzierten Redistributionskühlung im Hochdruck-Puffergassystem. Das demonstrierte Verfahren stellt einen neuartigen Laserkühlmechanismus dar. Der betrachtete Effekt beruht darauf, dass bei atomaren Stößen die Energieniveaus der Hüllenelektronen verändert werden. Durch einen geeigneten Absorptions-Emissionszyklus während eines Stoßes kann direkt kinetische Energie der Stoßpartner auf Fluoreszenzphotonen übertragen werden. Die Fluoreszenzphotonen können das Gas verlassen und die Temperatur des Gasgemisches wird abgesenkt.<br /> In ersten Grundlagenmessungen, die in dieser Arbeit beschrieben werden, wurde eine relative Kühlung des Gases von 66 K erzielt. Der Nachweis erfolgte über die Vermessung der thermischen Linse, die durch die lokale Abkühlung erzeugt wurde. Zudem konnte die Kühlung durch thermografische Messungen an Saphirfenstern beobachtet werden, die in direkten thermischen Kontakt mit dem gekühlten Gas standen.<br /> In jüngster Zeit konnte mit dem beschriebenen Verfahren eine relative Temperaturabsenkung von 527 K erzeugt werden, was einer Absoluttemperatur des gekühlten Gases von 156 K entspricht.<br /> Die Kühleffizienz wurde zu etwa 4% der eingestrahlten optischen Leistung bestimmt, was vier Größenordnungen oberhalb der typischen Effizienz der Dopplerkühlung von atomaren Gasen liegt, und vergleichbar oder besser als die Effizienz optischer Kühlung in Festkörpern ist. Die vorgestellte Kühlmethode ermöglicht es erstmals, große Wärmemengen vollkommen berührungsfrei mittels Laserlicht aus dem gekühlten Gasvolumen zu entfernen.