Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 2000
Programm und Abstracts der Sitzung Q 5

Eindimensionale Sub-Doppler Kühlung von Ca für die Atominterferometrie

•Tomas Binnewies, Uwe Sterr, Jürgen Helmcke und Fritz Riehle
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig

Die besonders für Präzisionsexperimente interessanten Atome ohne Grundzustandsaufspaltung (z.b. Erdalkalimetalle) entziehen sich den etablierten Sub-Dopplerkühlmethoden. Wir haben ein neues Kühlschema zur eindimensionalen Sub-Dopplerkülung von ⁴⁰Ca entwickelt. Aus einem in einer magneto-optischen Falle gekühlten Ensemble mit einer Doppler-limitierten Geschwindigkeitsbreite von 1 m/s wird ein schmales Geschwindigkeitsintervall durch Anregung auf einem Übergang mit kleiner natürlicher Linienbreite selektiert. Die selektierten Atome werden optisch in einen anderen langlebigen Zustand gepumpt und die Geschwindigkeitsverteilung der Grundzustandsatome wird durch eine optische Melasse wieder hergestellt. Durch die Wiederholung dieser Schritte werden langsame Atome mit einer eindimensionalen Geschwindigkeitsbreite kleiner 0,1 m/s im angeregten Zustand akkumuliert.
Die Verwendung so präparierter Ensemble für die Atominterferometrie führt zu einer signifikanten Erhöhung des Kontrastes auf über 50 %.
Gefördert durch die DFG unter SFB 407.

Ca⁺-Ionenkristalle in einem Quasi-2D-Potential

M. Block, A. Drakoudis, •H. Leuthner, P. Seibert und G. Werth
Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität, Staudingerweg 7, 55099 Mainz

In einer linearen Paulfalle werden Ionen gespeichert und mit Laserlicht bis zur Kristallisation gekühlt. Die Fluoreszenz wird ortsaufgelöst mit einer CCD-Kamera detektiert. Wählt man die Fallenspannungen so, daß die Potentiale in zwei Richtungen etwa gleich stark und deutlich stärker als in der verbleibenden Richtung sind, ergibt sich ein quasi-zweidimensionales Potential, d.h. die Säkularfrequenzen in y- und z-Richtung (Symmetrieachse) sind gleich w_z = w_y > w_x. Die Kristalle bilden planare Strukturen, wobei sich die Ionen in Schalen anordnen, deren Besetzung mit wachsender Ionenzahl einem Periodensystem folgt. Die Besetzung wurde für Ionenzahlen zwischen 1 und 20 untersucht. Die Ergebnisse stimmen qualitativ gut mit MD-Simulationen [1] [2] überein. Beobachtete Unterschiede in der Anzahl der Ionen pro Schale werden auf Abweichungen des realen gegenüber des in den Simulationen angenommenen Potentials zurückgeführt. Ähnliche Experimente wurden bereits von [3] durchgeführt. Die Experimente werden von der DFG unterstützt.

[1] V. Bedanov und F. Peeters, Phys. Rev. B49, 2667 (1994)

[2] Y. Lozovik, V. Mandelshtam, Phys. Lett. A 145, 269 (1990)

[3] W. Itano et al, GSI-Report 89-10, 241 (1989)

Experimente zur Kühlung und Heizung eines Ions in einer Radiofrequenzfalle

•Ch. Schwedes, Th. Becker, J. von Zanthier, E. Peik und H. Walther
Max-Planck-Institut für Quantenoptik und Sektion Physik der Universität München

Die Laserkühlung gespeicherter Ionen findet wichtige Anwendungen bei optischen Frequenzstandards, der Untersuchung von Quantenzuständen und der Quantenlogik. Durch Seitenbandkühlung können wir ein In⁺ Ion in einer Miniatur-Radiofrequenzfalle bis nahe an den Schwingungs-Grundzustand abkühlen [1]. Das zeitabhängige Potential der Falle hat bei bestimmten Frequenzen des Kühllasers einen wichtigen Einfluß auf die Kühlung. So kann es zu Heizung bei negativen und zu Kühlung bei positiven Laser-Verstimmungen kommen. Die Folge sind multistabile Bewegungszustände. Schaltet man den Laser ab, so wird das Ion von fluktuierenden elektrischen Feldern aufgeheizt und ändert seine Schwingungsquantenzahl auf einer Zeitskala von Millisekunden. Wir untersuchen diese Heizung und ihre Abhängigkeit von den experimentellen Parametern.

[1] E. Peik, J. Abel, Th. Becker, J. von Zanthier, H. Walther, Phys. Rev. A 60, 439 (1999)

Seitenbänder der Säkularbewegung im Fluoreszenzspektrum eines Doppler-gekühlten gespeicherten Ions

•V. Bühner und Chr. Tamm
Lab. 4.32, Phys.-Techn. Bundesanstalt, Bundesallee 100, 38116 Braunschweig

Durch optischen Heterodyn-Nachweis kann der mit dem Anregungslicht kohärente Anteil der atomaren Fluoreszenzemission mit hoher spektraler Auflösung analysiert werden [1]. Im Fluoreszenzspektrum eines Ions erwartet man Seitenbänder bei der Frequenz der Bewegung im Speicherpotential (Säkularbewegung). Bereits untersucht wurde der Fall einer kohärenten externen Anregung der Bewegungsresonanz [2]. In unserem Experiment untersuchen wir das Fluoreszenzspektrum eines einzelnen, gespeicherten und Doppler-gekühlten ¹⁷²Yb-Ions ohne externe Anregung der Bewegungsresonanz. Die beobachtete Stärke und Linienbreite der Seitenbänder der thermischen Restbewegung ist in Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen [3], wenn Sättigungs-Effekte berücksichtigt werden. (gefördert durch die DFG.)

[1] J.T. Höffges et al., Opt. Comm. 133, 170 (1997)

[2] C.Raab et al., Poster P2-56, 14th ICOLS (1999)

[3] J.I. Cirac et al., Phys. Rev. A 48, 2169 (1993)

Seitenbandkühlen von Magnesium jenseits des Lamb-Dicke Regimes

•T.E. Mehlstäubler¹, J. Keupp¹, Luis Santos², Filip Floegel², M. Malec¹, H. Ly¹, E.M. Rasel¹, Maciej Lewenstein² und Wolfgang Ertmer^1
1Institut für Quantenoptik, Universität Hannover, Welfengarten 1, D-30167 Hannover
²ITP, Universität Hannover, Appelstraße 2, D-30167 Hannover

Die Erzeugung und Speicherung von ultrakalten, nicht magnetischen Atomen ist bis heute eine Herausforderung für die Laserkühlung. Wir zeigen, dass neue Arbeiten zum dynamischen Seitenbandkühlen in Dipolfallen [1,2] gerade auch hier einen vielversprechenden Ansatzpunkt darstellen. Rein optisches Kühlen bietet die Möglichkeit eines verlustfreien und schnellen Weges, die Phasenraumdichte zu erhöhen. Heizprozesse aufgrund von Reabsorption werden bei Vibrationsfrequenzen, die größer als die Streurate sind, unterdrückt [3]. Im Falle von Magnesium, zu dessen Kühlung der Interkombinationsübergang mit g=31 Hz genutzt werden kann, ist diese Bedingung auch mit relativ großen Fallenvolumina jenseits des Lamb-Dicke Regimes zu erreichen. Ein zur Verfügung stehender schmalbandiger Laser ermöglicht es dabei, die Modenabstände von nur wenigen kHz aufzulösen. Eine makroskopische Besetzung des 3-dimensionalen Grundzustandes scheint daher möglich zu sein.

[1] L.Santos and M.Lewenstein, Phys. Rev. A 59, 613 (1999)

[2] L.Santos and M.Lewenstein, Phys. Rev. A 60, 3851 (1999)

[3] J.I.Cirac et al., Europhys. Lett. 39, 647 (1996)

Seitenbandkühlung eines einzelnen ¹⁷²Yb⁺-Ions

•M. Riebe, Chr. Balzer, T. Hannemann, Chr. Wunderlich, W. Neuhauser und P.E. Toschek
Institut für Laser-Physik, Universität Hamburg, Jungiusstr. 9, 20355 Hamburg

Einzelne gespeicherte Ionen können zur Darstellung quantenoptischer Gatter dienen. Voraussetzungen sind die kohärente Manipulation der elektronischen und Schwingungs-Zustände und die anfängliche Präparation im Vakuum-Grundzustand. Die aufgelösten Bewegungsseitenbänder der laserinduzierten Fluoreszenz erlauben Charakterisierung sowie gezielte Änderung des Schwingungszustands [1]. - Wir haben ein ¹⁷²Yb⁺-Ion in einer Paul-Falle auf seiner Resonanzlinie laser-vorgekühlt, auf seinem E2-Übergang S_1/2-D_5/2 (6Hz nat. Breite) mit frequenzverdoppeltem Licht eines Dioden-Lasers (411nm, Bandbreite dn < 500Hz) kohärent angeregt [2] und Bewegungsseitenbänder 1. Ordnung ( Dn = 1,3MHz) registriert. Der D_5/2-Zustand zerfällt überwiegend (83% [3]) in den extrem langlebigen Zustand F_7/2. Dessen schnelle Entleerung erfolgt durch Licht eines Dioden-Lasers (638nm, dn < 400kHz), so daß wirksame Seitenband-Kühlung [4] stattfindet.

[1] B. Appasamy, Y. Stalgies, P.E. Toschek, Phys.Rev.Lett. 80, 2805 (1998).

[2] R. Huesmann, Ch. Balzer, Ph. Courteille, W. Neuhauser, P.E. Toschek, Phys.Rev.Lett. 82, 1611 (1999).
B.C. Fawcett, M.

[3] Wilson, At.Nucl.Data Tables 47, 241 (1991).
D.J. Wineland, H.G.

[4] Dehmelt, Bull.Am.Phys.Soc. 20, 637 (1975).

Von der Ionen-Falle zum Speicherring

•T. Schätz, D. Habs, C. Podlech und U. Schramm
Sektion Physik der LMU München

Der Quadrupol-Speicherring PALLAS (Umfang 0.36m, Geschwindigkeit der Ionen ca. 5000 m/s) wurde mit dem Ziel entwickelt, durch Laserkühlung erstmals 3D-kristalline Ionenstrahlen zu erzeugen und zu studieren. Molekulardynamische Simulationen stimmen zuversichtlich, daß die mit PALLAS gewonnenen Ergebnisse auf Schwerionenspeicherringe übertragen werden können.
Realisiert wurde bisher die Speicherung von Mg⁺-Ionen im Ring, sowie deren Kristallisation nach Spontankraftkühlung mit zwei antiparallelen, in externen Ringresonatoren frequenzverdoppelten Farbstofflaserstrahlen. Die Beschleunigung der Ionen erfolgt über sechzehn entlang der Sollbahn angebrachte Driftröhren.
Zudem studieren wir die transversale Strahlkühlung von Mg⁺-Ionen durch die Kombination longitudinaler Beschleunigung mit der Puffergaskühlung ( <  10^-2 mbar He).
Teilweise gefördert von der DFG unter Nr. Ha 1101/8-1-650/98

Resonator-QED mit einem einzelnen ⁴⁰Ca⁺-Ion

•G.R. Guthöhrlein¹, K. Hayasaka², W. Alt¹, D. Schaudel¹, W. Lange¹ und H. Walther^1
1Max-Planck-Institut für Quantenoptik
²Communications Research Laboratory, Kobe

Die stabile Speicherung eines einzelnen ⁴⁰Ca⁺-Ions in einer RF-Quadrupolfalle in Verbindung mit einem Fabry-Perot-Resonator hoher Finesse bietet die Möglichkeit, das Ion innerhalb der Resonatormode beliebig zu positionieren und so eine definierte Kopplung g zwischen dem Ion und dem Resonatorfeld zu erreichen. Je nach verwendetem Übergang in Ca lassen sich zwei verschiedene Bereiche untersuchen: Im Grenzfall schwacher Kopplung ist das System zur Erzeugung von Einzelphotonen-Pulsen geeignet [1], während im Bereich starker Kopplung ein Laser realisiert werden kann, dessen Medium aus einem einzelnen Ion gebildet wird [2]. Der experimentelle Aufbau, mit dem bereits einzelne ⁴⁰Ca⁺-Ionen im Lamb-Dicke-Bereich lokalisiert wurden, wird vorgestellt und über charakteristische Eigenschaften des für die Falle optimierten Resonators berichtet.

[1] C.K. Law, H.J. Kimble, J. Mod. Opt. 44, 2067 (97).

[2] G.M. Meyer, H.-J. Briegel, H. Walther, Europhys. Lett. 37, 317 (97).

Dunkelresonanzen und Dichteverteilungen von Ionen in einer Paulfalle

•T. Baier, I. Malchartzeck, H. Ebensing und H. Harde
Universität der Bundeswehr Hamburg, Holstenhofweg 85, 22043 Hamburg

Wir berichten über Kohärenzeffekte, die ihren Ursprung in der charakteristischen Bewegung von gespeicherten Ionen in einer Paulfalle haben. Zur Kohärenzerzeugung wird ein Prozess eingesetzt, der aus der Oszillation der Ionen relativ zum eingestrahlten Lichtfeld resultiert. Wir zeigen, wie dieser Effekt zur hochauflösenden Messung der Ionenbewegung genutzt werden kann. Desweiteren berichten wir über Messungen der Ionendichte in einer Paulfalle mit Hilfe einer CCD-Kamera durch eine der Kalotten. Sie lassen Schlüsse auf den Einfluss der gespeicherten Ionen und damit der Ladungsdichte auf das Speicherpotential in grossen (30mm) Ionenfallen zu.

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Zuletzt geändert am 15.01.2001

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