Erzeugung eines ultrakalten Gases fermionischer Kaliumatome im optischen Dipolfallenpotential

Abstract

Kalte Atome können durch das induzierte elektrische Dipolmoment in Lichtfeldern gefangen werden. Liegt die Frequenz der verwendeten Lichtfelder sehr weit unterhalb aller elektronischen atomaren Resonanzen, so entsteht eine sogenannte quasi-elektrostatische Dipolfalle. Sie eignet sich durch ihre nahezu vollkommene Dissipationsfreiheit aufgrund der zu vernachlässigenden spontanen Photonenstreuung sehr gut zur Speicherung und Manipulation von kalten Atomen. Ferner lassen sich lange Speicherzeiten für die darin gefangenen Atome erzielen, wodurch ein erzwungenes Verdampfungskühlen der eingeschlossenen Atome bis hin zur Quantenentartung möglich ist.<br /> Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue experimentelle Apparatur entworfen und aufgebaut, in der sich fermionische Kaliumatome des Isotops ⁴⁰K in einer quasi-elektrostatischen Dipolfalle speichern und evaporativ kühlen lassen. Die optische Dipolfalle wird durch den Fokus eines gaußförmigen Laserstrahl eines CO₂-Lasers der Wellenlänge 10,6 µm mit 135 W Leistung erzeugt. Bei einem Strahlradius von 25 µm im Fokus beträgt die Fallentiefe k_B x 4 mK. Aus einer komprimierten magneto-optischen Falle werden bis zu 5,5 x 10⁵ Atome bei einer Temperatur von etwa 700 μm in diese Dipolfalle transferiert. Durch optisches Pumpen lässt sich der energetisch niedrigste Grundzustand in ⁴⁰K bevölkern, wodurch Verlustprozesse durch hyperfeinstrukturändernde Stöße unterbunden werden. In Kombination mit dem geringen Hintergrundgasdruck in der Vakuumapparatur lassen sich für die Atome in der quasi-elektrostatischen Dipolfalle Speicherzeiten von einer Minute erzielen. Dadurch wird es möglich, die fermionischen Kaliumatome mit einer erzwungenen Evaporation auf Temperaturen von 140 nK abzukühlen. Diese, mittels rein optischer Methoden realisierte, Verdampfungskühlung basiert auf der kontinuierlichen Reduktion des einschließenden optischen Potentials. Mit dieser Technik ist es im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich gelungen, die fermionischen Kaliumatome bis an die Grenze der Quantenentartung abzukühlen.<br /> Zukünftig sollten sich durch die Verwendung einer zusätzlichen magnetischen Quadrupolfalle die anfängliche Teilchenzahl in der optischen Dipolfalle deutlich erhöhen lassen, wodurch eine Kühlung bis weit in den quantenentarteten Bereich möglich werden sollte. Quantenentartete Fermi-Gase stellen ein attraktives System zur Untersuchung stark korrelierter Quantenmaterie in periodischen optischen Gittern dar.