Quantenoptik mit ultrakalten Atomen

Im Rahmen dieses Projektes werden Experimenten zur laseroptischen Präparation, Manipulation und Untersuchung von Atomen durchgeführt. Dabei werden Atome mit Hilfe von Laserlicht eingefangen, gekühlt und schließlich spektroskopisch studiert. Die Untersuchung gilt insbesondere den quantenmechanischen Eigenschaften einer kleinen Anzahl gespeicherter und extrem kalter Atome. Systeme mit kleinen Teilchenzahlen sind besonders interessant, weil sich in ihnen die Natur der Quantenprozesse besonders ausgeprägt zeigt. In diesem Projekt werden zwei Bereiche kleiner Teilchenzahlen gleichzeitig untersucht, nämlich eine kleine Anzahl von Atomen einerseits und andererseits eine geringe Anzahl von Quanten der Bewegungsenergie, was der sehr geringen Temperatur der Atome entspricht. Diese Kombination bringt neuartige quantenmechanische Phänomene hervor, die in diesem Projekt zum ersten Mal experimentell untersucht werden. Von einer großen Zahl Rubidium-Atome, die in einer magneto-optischen Falle gespeichert und vorgekühlt werden, wird ein Bruchteil in eine neuartige optische Dipolfalle geladen. Diese Falle besteht aus einer Anordnung von sechs Laserstrahlen, die in einem Punkt überlappen und paarweise miteinander interferieren. Die Frequenz des Lichts ist zur höherenergetischen Seite einer atomaren Resonanz verstimmt. Durch diese Anordnung entsteht ein 3- dimensionales, näherungsweise harmonisches, konservatives Potential mit einem Durchmesser von ca. 10 mu-m. Die Atome werden weiter gekühlt mit optischen Kühlprozessen, wie sie bisher an einzelnen gespeicherten Ionen in Paul-Fallen angewendet wurden. Ziel der Abkühlung ist es, mehrere Atome in den Grundzustand des Fallenpotentials zu bringen, wodurch eine quantenmechanische Entartung des Ensembles entsteht. Dieses entartete Ensemble steht schließlich für quantenoptische Untersuchungen zur Verfügung, insbesondere für Quantenmessungen seines Bewegungszustandes, seiner internen Wechselwirkungen und seiner Wechselwirkung mit Licht. Der Einfluß der im Ensemble vorliegenden Teilchenzahl auf diese quantenmechanischen Eigenschaften wird ebenfalls untersucht.