Wechselwirkungen in ultrakalten dipolaren Gasen

Abstract

Seit der ersten experimentellen Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats (BEC), erfuhr das Feld der atomaren Quantengase eine rasante Entwicklung und stellt heute eines der spannendsten und interdisziplinärsten Feldern in der Atomphysik dar. Die Eigenschaften dieser Gase werden hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen bzw. Molekülen bestimmt, die in den bisher realisierten Kondensaten durch die Kontaktwechselwirkung dominiert wird. Theoretisches und experimentelles Interesse richtet sich seit kurzem auf weitere Wechselwirkungen in diesen entarteten Gasen. Insbesondere wurde die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol-Wechselwirkung in einem Quantengas, das aus in einem externen Feld ausgerichteten Dipolen besteht, theoretisch untersucht. Im Hinblick auf die Realisierung eines dipolaren atomaren Quantengases stellt Chrom dabei ein äußerst Erfolg versprechendes Element dar. Im Vergleich zu bisherigen BEC-Experimenten, in denen meist Alkali-Atome verwendet wurden, ist die Dipol-Dipol-Wechselwirkung um einen Faktor 36 größer und in seiner Stärke mit der Kontakt-Wechselwirkung vergleichbar. Ein wesentlich stärkeres Dipolmoment wird bei einem im elektrischen Feld ausgerichteten Cr-Rb-Molekül erwartet. In einem solchen Molekülgas wird die Wechselwirkung durch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung dominiert. Zur Erzeugung solcher Quantengase wurde in dieser Arbeit ein neuer Aufbau konzipiert und realisiert.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung ultrakalter, klassischer, bosonischer Cr-Gase, die zur Erzeugung eines dipolaren BECs dienen sollen. Ausgehend von einem lasergekühlten, magnetisch gespeicherten Cr-Ensemble wird in dieser Arbeit die Dipol-Dipol-Wechselwirkung in diesem ultrakalten, dipolaren Gas experimentell studiert. Die theoretische Beschreibung durch die Streuung zweier Dipole führt dabei zu einem sehr allgemeinen Verständnis der Streuprozesse in dipolaren Gasen.

In dieser Arbeit wird experimentell und theoretisch gezeigt, dass bereits bei einem magnetischen Moment von sechs Bohrschen Magnetonen aufgrund von dipolaren Relaxationsstößen die Kondensation durch Evaporation der Cr-Atome in einer Magnetfalle nicht möglich ist. Die aus den Streuexperimenten gewonnenen Erkenntnisse bilden nun die Grundlage zur Entwicklung einer sehr aussichtsreichen Strategie. Dabei soll die Kondensation durch Verdampfungskühlen in einer optischen Falle im energetisch tiefsten Zustand der Dipole erfolgen, in dem keine Spinrelaxationsprozesse mehr möglich sind. Durch die Implementation dieses neuen Fallentyps für Cr wird somit eine entscheidende Hürde auf dem Weg zu einem BEC genommen. Obwohl es in dieser Arbeit noch nicht gelingt, die Atome in dieser Falle im energetische tiefsten Zustand zu polarisieren, können zwei Konzepte demonstriert werden, mit denen die Kondensation in diesem Fallentyp erreicht werden kann.

Mit ersten Experimente an kombinierten Cr-Rb-Fallen wird in einem weiteren Teil dieser Arbeit ein neues Forschungsprojekt begonnen mit dem Ziel, ein entartetes heteronukleares Molekülgas aus einem zweikomponentigen entarteten Quantengas zu erzeugen. Es werden erste Resultate zum simultanen Betrieb zweier magneto-optischer Fallen (MOT) und dem überlagerten Betrieb von Rb-MOT und Cr-Magnetfalle vorgestellt.

Since the first realization of a Bose-Einstein condensate (BEC) in an atomic gas in the year 1995, the physics of ultra-cold atomic gases has rapidly developed and has become one of the most competitive and interdisciplinary fields in atomic physics. Among the related topics, the research on dipolar gases constitutes one of the most promising future directions. The interaction in up to now realized BECs is dominated by the isotropic and short-range contact interaction. In contrast to this interaction, the dipole-dipole interaction is long-range and anisotropic. Theoretical investigations show that if the dipole moment is high enough, the resulting dipole-dipole force can influence or even completely change the properties of a BEC. However, a BEC with a significant dipole-dipole interaction has not been experimentally achieved yet. A promising candidate for observing the influence of the dipole-dipole interaction on the dynamics of a BEC is atomic chromium. As a result of its comparably large magnetic dipole moment of 6 Bohr magnetons, the dipole-dipole interaction is of the same order of magnitude as the contact interaction. A much stronger electric dipole moment is expected from a Cr-Rb molecule. In such a molecular gas the interaction will be dominated by the dipole-dipole interaction. For the creation of these quantum gases, a new experimental setup was designed and assembled.

This thesis mainly focuses on the creation of a BEC with atomic chromium (^{52}Cr). Chromium is accumulated in a magnetic trap using a non-standard continuous loading scheme. Applying Doppler-cooling in the compressed magnetic trap, we achieve densities of 10^{11} atoms cm^{-3} and a phase-space density of about 10^{-7} in the magnetically trapped gas. Though this density is 3-4 orders of magnitude lower than in typical BEC experiments, it is already sufficient to observe atom loss and heating due to inelastic dipolar relaxation processes induced by the dipole-dipole interaction. In this process the atomic spin flips and the Zeeman energy is released.

Dipolar relaxation in a gas of magnetically trapped chromium atoms is investigated, both theoretically and experimentally. We find that the large magnetic moment of 6 Bohr magnetons results in an event rate coefficient for dipolar relaxation processes of up to 3.2x10^-11 cm^3 s^{-1} in a magnetic field of 44 G. We present a theoretical model based on pure dipolar coupling, which predicts dipolar relaxation rates that agree with our experimental observations. This very general approach can be applied to a large variety of dipolar gases.

It will be shown experimentally and theoretically that for chromium heating and density dependent atom loss due to dipolar relaxation are so significant that it is impossible to reach quantum degeneracy by the standard procedure of rf-evaporation in a magnetic trap. To overcome this limitation a new strategy including an optical dipole trap is developed. First promising measurements using this crucial experimental approach are presented.

Intending to prepare a Cr-Rb molecule BEC, combined traps for bosonic chromium (^{52}Cr) and rubidium (^{87}Rb) atoms are studied. First experiments focus on exploring a suitable loading scheme for the combined trap and on studies of new trap loss mechanisms originating from simultaneous trapping of two species. By comparing the trap loss from the ^{87}Rb magneto-optical trap (MOT) in absence and presence of magnetically trapped ground state ^{52}Cr atoms we determine the scattering cross section of 5 10^{-18} m^2 for light induced inelastic collisions between the two species. Studying the trap loss from the Rb magneto-optical trap induced by the Cr cooling-laser light, the photoionization cross section of the excited 5P_{3/2} state at an ionizing wavelength of 426 nm is measured to be 10^{-21} m^2.