Apparatur zur Erzeugung ultrakalter Quantengase
Final Report Abstract
Die Apparatur wird für die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten aus Rubidiumatomen verwendet. Sie basiert auf der evaporativen Kühlung in einer gekreuzten Dipolfalle und erreicht Zykluszeiten von weniger als 10 Sekunden. Besonderes Merkmal ist die Implementierung eines Elektronenmikroskops, mit dem die Atome hochaufgelöst abgebildet und manipuliert werden können. Die Apparatur ist darüber hinaus mit einem Lasersystem zur Einphotonenanregung von Rydbergzuständen ausgestattet sowie mit Kompensationselektroden für die kontrollierte Erzeugung von elektrostatischen Feldern. Mit dem Ausstattungspaket können Untersuchungen zur langreichweitigen Wechselwirkung zwischen Rydbergatomen und zur mikroskopischen Dynamik von ultrakalten Atomen gemacht werden. In den ersten drei Jahren nach Inbetriebnahme wurde die Apparatur für die Untersuchung von Ionisationsprozessen in dichten Atomwolken verwendet. Dabei konnte ein starke Verbreiterung der Rydbergresonanzen beobachtet werden, die auf die Wechselwirkung der Rydbergatome untereinander sowie die Wechselwirkung mit den erzeugten Ionen zurückzuführen ist. Die Streuquerschnitte zwischen Rydbergatomen und Elektronen wurden ebenfalls vermessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die inelastische Streuung zwischen Elektronen und Rydbergatomen viele Größenordnungen über der zwischen Elektronen und Grundzustandsatomen liegt. Dieser Wechselwirkungsmechanismus soll in der Zukunft ausgenutzt werden, um einzelne Rydbergatome ortsaufgelöst nachweisen zu können. Die starke Wechselwirkung zwischen zwei Rydbergatomen führt zu der so genannten Rydbergblockade, bei der das Vorhandensein einer Anregung die weitere Anregung von Atomen unterdrückt. Durch das Zusammenspiel von Einphotonen-Anregung und der Manipulation der Atome durch den Elektronenstrahl konnte mit der Apparatur ein so-genanntes Superatom zu erzeugen. Ein Superatom ist ein mesoskopisches Ensemble aus einigen hundert Atomen, dessen Ausdehnung kleiner als der Blockaderadius ist. Bei resonanter Anregung kann in dem Ensemble immer nur eine Anregung gleichzeitig erzeugt werden. Bei nicht-resonanter Anregung jedoch tritt der gegenteilige Effekt auf und die Rydberganregungen schieben sich gegenseitig in Resonanz. Dieses unterschiedliche Verhalten konnte durch Korrelationsmessungen der entstehenden Ionen nachgewiesen werden. Die Arbeiten wurde innerhalb des Sonderforschungsbereichs SFB/TR49 „Condensed Matter Systems with Variable Many-Body Interactions“ durchgeführt.
Publications
- „Continuous coupling of ultracold atoms to an ionic plasma via Rydberg excitation“. Phys. Rev. A 86, 021601 (R) (2012)
T. M. Weber, T. Niederprüm, T. Manthey, P. Langer, V. Guarrera, G. Barontini, and H. Ott
- "Scanning electron microscopy of Rydberg-excited Bose-Einstein condensates". New J. Phys. 16, 083034 (2014)
T. Manthey, T. M. Weber, T. Niederprüm, P. Langer, V. Guarrera, G. Barontini and H. Ott
(See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/8/083034) - “Mesoscopic Rydberg-blockaded ensembles in the superatom regime and beyond”. Nature Physics 2015
T.M. Weber, M. Höning, T. Niederprüm, T. Manthey, O. Thomas, V. Guarrera, M. Fleischhauer, G. Barontini, and H. Ott
(See online at https://doi.org/10.1038/nphys3214)
