Quantentransport ultrakalter Atome in Fourier-synthetisierten optischen Gitterpotentialen

Abstract

Transporteffekte spielen eine zentrale Rolle für viele Phänomene der Physik, Biologie und Chemie. Ein Beispiel hierfür ist der Ratscheneffekt, bei dem in einem periodisch getriebenen System ein gerichteter Transport von Teilchen erreicht werden kann, ohne dass eine gerichtete Kraft verwendet wird. Ultakalte atomare Gase eignen sich hervorragend zum Studium von Transporteffekten im Quantenbereich, wobei Lichtkräfte mit weitverstimmten Lichtfeldern als sehr dissipationsarmer Antrieb eingesetzt werden können.<br /> Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Experimenten zum Quantentransport eines Ensembles ultrakalter Atome in optischen Gitterpotentialen variabler räumlicher Symmetrie. Für die Experimente wurde ein Bose-Einstein Kondensat aus Rubidiumatomen des Isotops $^{87}$Rb eingesetzt und einem periodischen optischen Lichtpotential ausgesetzt, das mit einem Verfahren zur Fourier-Synthese von variablen Lichtpotentialen hergestellt wurde. Dazu wurden neben konventionellen optischen Gittern der Periode $\lambda/2$ auch Gitter höherer Ordnung mit einer Periode von $\lambda/(2n)$ hergestellt, wobei n eine natürliche Zahl ist. Diese sogenannten {\it Multiphotonen-Gitter} nutzen die dispersive Eigenschaft von Raman-Übergängen aus. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden zunächst Transportexperimente in einem beschleunigten optischen Multiphotonen-Gitter der Periode $\lambda/4$ durchgeführt. Die Beobachtung von Bloch-Oszillationen in einem Multiphotonen-Gitter zeigt dabei die kohärente Eigenschaft solcher Gitterpotentiale, die unterhalb der Rayleigh Auflösungsgrenze arbeiten. In einem nächsten Schritt wurde die Bandstruktur eines Gitters variabler räumlicher Symmetrie untersucht, das aus einer Überlagerung eines konventionellen Gitterpotentials der Periode $\lambda/2$ und eines Multiphotonen-Gitters der Periode $\lambda/4$ besteht. Im Experiment konnte mit Hilfe von Landau-Zener Übergängen in einem beschleunigten Gitter festgestellt werden, dass die Energieaufspaltung zwischen dem zweiten und dritten Blochband von den Potentialtiefen der Gitterharmonischen sowie von der relativen Phase zwischen den Gitterharmonischen abhängt. Bei geeigneter Wahl der Parameter konnte die Energieaufspaltung zwischen den Bändern vollständig unterdrückt werden.<br /> In weiteren Experimenten wurde mit einem zeitlich getriebenen Lichtpotential der gerichtete Ratschentransport ultrakalter Atome untersucht. Ziel war hierbei eine Realisierung einer Hamiltonschen Quantenratsche, d.h. die Beobachtung von Transport im Quantenbereich ohne die Anwesenheit von gerichteten Kräften oder Dissipation im System. Hierzu wird ein räumlich asymmetrisches Gitterpotential benötigt, das im Experiment durch die phasenrichtige Überlagerung eines konventionellen Gitters der Periode $\lambda/2$ und eines Multiphotonen-Gitters der Periode $\lambda/4$ realisiert wurde. Die Amplitude des ratschenförmigen Potentials wird schließlich zeitlich asymmetrisch moduliert, wonach ein gerichteter Transport des Bose-Einstein Kondensats beobachtet werden konnte. Evidenzen für den vollständig quantenmechanischen Charakter des Ratschentransports waren eine beobachtete Oszillation des atomaren Impulses um einen von Null verschiedenen Wert, eine Abhängigkeit des nachgewiesenen Transports von dem Anfangszeitpunkt der Modulation sowie aufgetretene Resonanzfrequenzen der Amplitudenmodulation bei Positionen die von der atomaren Rückstoßfrequenz bestimmt sind. Die Ergebnisse können als die grundsätzliche Demonstration eines Quantenmotors interpretiert werden, bei dem ein gerichteter atomarer Transport ohne eine gerichtete Kraft erreicht wird. In zukünftigen Arbeiten wäre es interessant, den Bereich des atomren Ratschentransports gegen eine äußere Kraft genauer zu untersuchen oder die Experimente auf den stark korrelierten Bereich, bei dem die interatomare Wechselwirkung eine wichtige Rolle spielt, zu erweitern.