Aufbau einer Messapparatur zur Laserkühlung und hochauflösende Rydberg-Spektroskopie an 87 Rb-Atomen

Abstract

Die Entwicklung der Methoden zur Laserkühlung von Atomen hat in den letzten 15 Jahren vielfältige wissenschaftliche Fortschritte erzielt. Ein sich dabei in den letzten Jahren neu entwickelndes Feld ist die Kombination der Laserkühlung mit der zustandsselektiven Anregung von Atomen in Rydberg-Zustände. Ein solches System wird als "gefrorenes Rydberg-Gas" bezeichnet. Dieser Name reflektiert die Tatsache, dass die Experimente mit diesen gekühlten Atomen auf einer Zeitskala ablaufen, auf der die thermische Bewegung zu vernachlässigen ist und nur die Wechselwirkung der Atome untereinander relevant ist. Gelingt es, solche kalten Rydberg-Atome in periodischen Potentialen zu speichern, so ergeben sich Möglichkeiten, dieses System für die Quanteninformationsverarbeitung (QIV) zu nutzen.

Zur Untersuchung solcher Systeme wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neuer experimenteller Aufbau konzipiert und realisiert. Die dazu aufgebaute Apparatur wurde charakterisiert, indem Untersuchungen zur Laserkühlung von aus einem Dispenser emittierten 87Rb-Atomen in einer magneto-optischen Falle (MOT) durchgeführt wurden. Die hierbei gekühlten Atome wurden anschließend in eine Magnetfalle in Drahtfallengeometrie transferiert und konnten dort magnetisch gespeichert werden.

Zur Speicherung von ultrakalten Atomensembles in periodischen Strukturen wurden die Möglichkeiten untersucht, aus periodisch angeordneten stromtragenden Leitern ein Gitter von zwei Magnetfallentypen (Quadrupol- und Ioffe-Pritchard-Fallen) zu konstruieren. Hierzu wurden aufbauend auf einzelnen Segmenten die Möglichkeiten der Konstruktion von Gittern untersucht. Diese Gitter erlauben es, drei verschiedene Grundkonfigurationen von Fallen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufzubauen, die theoretisch erläutert werden. Dabei wird auch eine experimentelle Realisierung solcher Gitter mit Quadrupol-Fallen vorgestellt. Hierbei wurde ein Gitter von 4 MOTs experimentell realisiert und untersucht.

Im letzten Teil der Arbeit werden Experimente zur 2-Photonen Rydberg-Anregung und hochauflösenden Rydberg-Spektroskopie von 87Rb-Atomen vorgestellt. Hierbei wird zunächst das verwendete Anregungs- und Detektionsschema der Atome erläutert, gefolgt von Untersuchungen zur Stabilität und Leistungsfähigkeit des Lasersytems zur Rydberg-Anregung. Hierzu wurden hochauflösende Spektren in der Umgebung der beiden 41D-Feinstrukturzustände von 87Rb in Abhängigkeit vom elektrischen Feld aufgenommen und die feldabhängige Aufspaltung der Zustände untersucht. Zur Realisierung der erläuterten Schemata zur QIV ist es nötig, einzelne oder Ensembles von Atomen gezielt orts- und zustandsselektiv in Rydberg-Zustände anregen zu können. Erste Demonstrationsexperimente hierzu werden präsentiert. Abschließend wird über die Messung der Rabifrequenz durch Untersuchung der Autler-Townes-Aufspaltung des an das Lichtfeld gekoppelten 5S1/2->5P3/2-Übergangs berichtet.

The newly developed methods of laser cooling of atoms have brought a large variety of scientific progress during the last 15 years. One newly emerging field is the combination of these laser cooling methods with the state selective excitation of atoms to Rydberg states. Such a system consisting of cooled Rydberg atoms is called "frozen Rydberg gas". The name reflects the fact, that during the time constant of the experiment, there is nearly no thermal motion of the atoms and the system is dominated by the interaction of the atoms among each other. Arranging such ultracold Rydberg atoms in a periodic array opens up possibilities to use this system for quantum information processing (QIP).

To investigate such systems a new experimental setup has been designed and set up. This apparatus has been characterized investigating laser cooled 87Rb atoms emitted from a dispenser and cooled in a magneto-optical trap (MOT). These cooled atoms were afterwards transferred to a magnetic wire trap and stored there magnetically.

For the storage of ultracold atom ensembles in periodic structures, the possibilities to use periodically arranged current carrying wires in a lattice have been investigated. Such structures enable us to construct magnetic lattices consisting of two different types of traps (quadrupole and Ioffe-Pritchard type traps). Therefore the construction of a lattice based on simple segments has been investigated. These lattices permit to built up three different basic configurations of traps with different properties. Furthermore an experimental realization of a lattice consisting of quadrupole traps is presented. In this setup a lattice of 4 MOTs has been realized and investigated.

In the last part of this thesis, experiments on the 2 photon Rydberg excitation and high resolution Rydberg spectroscopy of 87Rb atoms have been performed. At the beginning the experimental excitation and detection scheme of the Rydberg atoms is introduced. To test the stability and performance of the Rydberg excitation laser system high resolution spectra next to the two 41D finestructure states of 87Rb in dependence of an electrical field have been taken. In these experiments the field dependent splitting of the states has been seen. To realize the QIC-scheme based on Rydberg atoms the ability to excite single atoms or ensembles of atoms position and stateselective to Rydberg states has to be ensured. First demonstration experiments on this topic are presented. In the end the measurement of the Rabi frequency of the 5S1/2->5P3/2-transition coupled to the light field is reported investigating the Autler-Townes splitting.