Charakterisierung der 2D + -MOT

Die Aufgabe der 2D⁺-MOT [30] besteht in der Bereitstellung eines vorgekühl-ten Atomstrahls hohen Atomflusses Φ zum Beladen der 3D-Chip-MOT in der Interferometriekammer, mit

Φ∝N_Φ· évêΦ.

Die beiden wichtigen charakteristischen Größen dieses Flusses sind die Anzahl der Atome im Atomstrahl NΦ und deren mittlerer Geschwindigkeit évêΦ. Die Anzahl der Atome im Atomstrahl kann durch den Partialdruck und der Kon-figuration der Magnet- und Lichtfelder beeinflusst werden. Deren mittlere Ge-schwindigkeit kann dank des 2D⁺-MOT-Designs durch den Pusher- und den Retarder-Lichtstrahl eingestellt werden. Im Folgenden wird der Atomfluss in Abhängigkeit der erwähnten Parameter untersucht. Für eine detailliertere Un-tersuchung der 2D⁺-MOT wird an dieser Stelle auf eine an diesem Experiment angefertigte Masterarbeit verwiesen [44].

Position des Atomstrahls

Die Position des Atomstrahls innerhalb der Vakuumkammer wird durch die Position des Magnetfeld-Null-Durchgangs des verwendeten Quadrupolfelds und mittels der transversalen Lichtdrücke auf die Atome bestimmt. Durch den retro-reflektierenden Aufbau der transversalen Kühlstrahlen, insbesondere aufgrund des Verzichts auf die Antireflex-Beschichtung der Innenseite der Fenster, kommt es zu einer Ungleichheit des Lichtdrucks und somit zu einem Versatz des Atom-strahls. Dieser Versatz kann mit Hilfe des verwendeten Magnetfelds kompen-siert werden, sodass der Atomstrahl durch die differentielle Pumpstufe in die Interferometriekammer gelangen kann (s. Anhang C).

Bei der in Abbildung 3.1 dargestellten Messung wurde der Magnetfeld-Null-Durchgang in den beiden transversalen Richtungen variiert und der Atom-fluss mittels einer Fluoreszenzdetektion in der Interferometriekammer ermit-telt. Hierzu wurden zwei benachbarte Spulen derrace track-Konfiguration (Spu-le 1&2) in Reihe geschaltet und der Strom in den jeweils gegenüber liegenden Spulen (Spulen 3,4) variiert. Diese Messung wurde für fünf verschiedene Ströme in den Spulen 1&2 bei gleichbleibender Leistung und Verstimmung der trans-versalen Kühlstrahlen wiederholt.

Durch Analyse dieser Ergebnisse stellt sich ein über die Messung konstant bleibendes, optimales Verhältnis der Spulenströme in Spule 3 (ISpule3) bzw. 4

Abbildung 3.1.:Position des Atomstrahls. Dargestellt ist die Höhe des Atomflusses in Ab-hängigkeit der Ströme in Spule 3 bzw. 4 bei verschiedenen Strömen in den in Reihe geschalteten Spulen 1 und 2.

(ISpule4) zu den in Reihe geschalteten Spulen 1&2 (ISpule 1&2) heraus. Diese liegen

bei ISpule3

ISpule 1&2 = 0,954 und ISpule4

ISpule 1&2 = 0,946.

0 4 8 12 16 20 24

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

Atomfluss in w. E.

Magnetfeldgradient in G/cm Abbildung 3.2.: Abhängigkeit des Atom-flusses vom Magnetfeldgradienten.

Folglich konnten die Ströme der Spulen der race track-Konfiguration via Span-nungsteiler auf diese optimalen Verhält-nisse eingestellt werden. Des Weiteren zeigt die Messung, dass bei höheren Strö-men in den Spulen der Fluss zunimmt.

Dies ist auf einen proportional zum Spu-lenstrom steigenden Magnetfeldgradien-ten zurückzuführen, welcher im direk-ten Wechselspiel mit der Frequenzver-stimmung der transversalen Kühllichter zu einem effizienteren Fangen und einer

verbesserten Strahlformung der Atome führt. Abbildung 3.2 zeigt eine Messung dieser Abhängigkeit des Atomflusses vom Magnetfeldgradienten bei einer festen Einstellung der Frequenzverstimmung. Diese Abhängigkeit wird im nächsten Abschnitt genauer untersucht.

3.1. Atomares Quellsystem ultra-kalter Gase

Magnetfeldgradient und Frequenzverstimmung der Lichtfelder

Maßgebend für die Effizienz der Atomstrahlformung ist die auf die Atome wir-kende Spontankraft. Diese lässt sich über den Magnetfeldgradienten und die Frequenzverstimmung der Lichtfelder einstellen. Folglich wurde der Atomfluss in Abhängigkeit dieser beiden Parameter vermessen. Abbildung 3.3 zeigt eine Messung, bei welcher die Verstimmung der Lichtfelder bei unterschiedlichen Ma-gnetfeldgradienten, die proportional zu den Spulenströmen sind, variiert wurde.

Die zu den Spulenströmen gehörigen Magnetfeldgradienten wurden hierbei mit Hilfe der im Kapitel 5 vorgestellten Simulation errechnet. Mittels der Fluores-zenzdetektion konnte die Stärke des Atomflusses in der Interferometriekammer gemessen werden. Aus dieser Messung lässt sich eine optimale Kombination eines Magnetfeldgradienten von 19 G/cm und einer Frequenzverstimmung von -18,2 MHz ermitteln.

-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

0 1 2 3 4 5 6

Atomfluss in w. E.

Verstimmung des Kühllichts in MHz Magnetfeldgradient:

22,6 G/cm 21,2 G/cm 19,8 G/cm 17,0 G/cm 14,1 G/cm

Abbildung 3.3.:Optimierung des Flusses der 2D⁺-MOT durch Verstimmung des Kühllichts in Abhängigkeit des Magnetfeldgradienten.

Lichtleistung der 2D⁺-MOT

Für den Betrieb der 2D⁺-MOT stehen dem Experiment am Ort der Atome insgesamt 120 mW Kühllichtleistung zur Verfügung. Diese Leistung muss auf vier Lichtstrahlen aufgeteilt werden. Kritisch für den Betrieb der 2D⁺-MOT ist die Gesamtleistung und das korrekte Verhältnis der Leistung des Pusher- und desRetarder-Lichtstrahls. Abbildung 3.4a zeigt exemplarisch eine Messung zum

Pusher-Retarder-Verhältnis bei einer Pusher-Lichtleistung von 9 mW. Weiter-hin spielt die Leistung des Pusher-Lichtstrahls eine wichtige Rolle für die Ge-schwindigkeitsverteilung des Atomstrahls. Hierbei steigt die mittlere Geschwin-digkeit und somit der Fluss des Atomstrahls monoton mit der Lichtleistung des Pushers an. Abbildung 3.4b zeigt eine Messreihe der mittleren Geschwindigkeit des Atomstrahls mit variierterPusher-Lichtleistung bei einem festen, optimalen Pusher-Retarder-Verhältnis von vier. Da die simulierte Einfanggeschwindigkeit der 3D-Chip-MOT im Bereich um 30 m/s liegt und der Atomstrahl eine gemes-sene Geschwindigkeitsbreite (FWHM) von 22 m/s aufweist, wurde für den Be-trieb der 2D⁺-MOT einePusher-Retarder-Gesamtleistung von 10 mW gewählt.

Die restliche zur Verfügung stehende Lichtleistung wird zu gleichen Teilen auf die beiden transversalen Kühlstrahlen aufgeteilt. Bei einer Messung des Atom-flusses in Abhängigkeit der transversalen Kühlleistung stieg der Fluss linear mit der Leistung an. Es konnte für die zur Verfügung stehende Lichtleistung kei-ne Sättigung des Atomflusses in Abhängigkeit der transversalen Kühlleistung beobachtet werden.

b Mittlere Geschwindigkeit der Atome

0 4 8 12 16 20 24

Abbildung 3.4.:Atomfluss und mittlere Geschwindigkeit der Atome der 2D⁺-MOT. Darge-stellt ist die Abhängigkeit des Atomflusses vomPusher-Retarder-Verhältnis (a) und die Abhängigkeit der mittleren Geschwindigkeit der Atome von der Pusher-Leistung (b).

3.1.3. Charakterisierung der 3D-Chip-MOT und der