Optische Fallen für ultrakalte Quantengase

Die Arbeitsgruppe des Antragstellers ist vor kurzem von Heidelberg (Deutschland) nach Innsbruck umgezogen. Das Projekt betrifft die Weiterführung von Forschungsarbeiten, die vorher von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Gerhard-Hess-Programms (entsprechend dem Österreichischen START- Programm) gefördert wurden. Hauptzweck des vorliegenden Projektantrags ist es, die bereits laufenden Experimente an der Universität Innsbruck unmittelbar weiterzuführen. Darüberhinaus sollen im Hinblick auf eine spätere Teilnahme am Innsbruck-Wien Spezialforschungsbereich "Measurement and Control of Coherent Quantum Systems" in Weiterentwicklung der gegenwärtigen Experimente neue Forschungsaktivitäten vorbereitet werden. Das allgemeine Projektziel besteht in der Realisierung neuer experimenteller Möglichkeiten, ultrakalte atomare Quantengase in fundamental interessanten Situationen zu erforschen, die mit herkömmlichen Methoden nicht zugänglich sind. Zu diesem Zweck werden neuartige Laserfallen verwendet, die auf der optischen Dipolkraft in weit resonanzverstimmtem Laserlicht basieren. Ein spezielles Ziel dabei ist die Realisierung eines zweidimensionalen atomaren Gases in einer Falle, die auf evaneszenten Lichtwellen an einer dielektrischen Oberfläche basiert. Ein solches System verspricht interessante Möglichkeiten zur Untersuchung von Vielteilchen- Quantensystemen in reduzierter Dimensionalität. Ein weiteres Ziel ist die Erzeugung eines Gases von Fermionen mit abstimmbaren Wechselwirkungseigenschaften, welches einen neuartigen Zugang zu Effekten wie Paarbildung und Superfluidität in einem ultrakalten Gas bietet. Zu diesem Zweck wird eine Atomfalle entwickelt, die in einer Stehwellenkonfiguration sehr hohe Laserintensitäten in einem optischen Resonator ausnutzt. Die Realisierung dieser Projektziele wird grundlegende neue experimentelle Möglichkeiten zur Erforschung ultrakalter Quantenmaterie eröffnen.

Im Rahmen des Projekts wurden zwei Experimente auf dem Gebiet der ultrakalten Atome und Quantengase an der Univ. Innsbruck installiert, welche im Zuge der Berufung des Projektleiters aus Heidelberg dorthin überführt wurden. Durch die FWF-Förderung konnten diese Experimente nach wenigen Monaten wieder volle Funktionsfähigkeit erlangen, und produzieren bereits wissenschaftliche Ergebnisse. Bei dem ersten Experiment handelt es sich um den Einfang von ultrakalten Cäsium-Atomen in einer sehr anisotropen Lichtfalle, die durch evaneszente Lichtwellen auf der Oberfläche eines Prismas erzeugt werden. In den ersten Experimenten in Innsbruck konnten bereits bei Temperaturen von nur einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt extrem hohe Teilchendichten erreicht werden, so dass auch ein Bose-Einstein Kondensat in greifbare Nähe gerückt ist. Des weiteren gelangen auch wesentliche Schritte zu einem zweidimensionalen Quantengas, welches im Vergleich zu dreidimensionalen Systemen neue physikalische Phänomene verspricht. In dem zweiten Experiment werden Quantengase von Fermionen (Lithium-6 Atome) in hohen Magnetfeldern untersucht. Von besonderem Interesse ist dabei die Abstimmbarkeit der quantenmechanischen Wechselwirkungseigenschaften durch die Wahl des Magnetfeldes. So kann das Fermionengas einen stark repulsiven oder auch einen stark attraktiven Charakter haben. Letzteres ist zur Ausbildung von Cooper-Paaren und zur Realisierung der Suprafluidität von größtem Interesse. In dem Innsbrucker Experiment wird eine neuartige optische Falle verwendet, die eine effiziente Speicherung von Lithiumatomen und das Studium ihrer Wechselwirkungsprozesse ermöglicht. Diese magnetische Abstimmbarkeit und das Auftreten einer entsprechenden "Feshbach-Resonanz" konnten kürzlich in Innsbruck (als erstes Experiment weltweit) nachgewiesen werden. Durch das Projekt konnten neueste Lasertechnologien zur Beherrschung von ultrakalter Quantenmaterie in Österreich implementiert werden. Dies fördert einerseits die Etablierung modernster Lasertechnologien im allgemeinen, andererseits wird dadurch auch die wissenschaftliche Grundlage modernster Quantentechnologien für die Zukunft geschaffen.