Quantenratschen für neutrale Atome

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Das Studium ultrakalter atomarer Gase in periodischen Lichtpotentialen gehört zu den aktuellsten Themen der modernen Quantenoptik. Forscher untersuchen heute die Speicherung von atomaren Bose-Einstein Kondensaten in periodischen Gittern, deren Fallenpotential durch die dynamische Polarisierbarkeit in optischen Stehwellen gegeben ist. Mit dissipativen, grauen optischen Gittern gelang bereits die Realisierung asymmetrischer, ratschenförmiger Lichtpotentiale, welches die Umwandlung von thermischer Energie in gerichteten Transport bei externem Antrieb erlaubte. Aufbauend auf erfolgreichen Experimenten zur Bose-Einstein-Kondensation in optischen Fallen, zur Demonstration mesoskopischer optischer Gitter sowie zur Vielphotonen-Raman-Absorption an kalten Atomen soll im Rahmen der geplanten Arbeiten das Potential ultrakalter Atome und atomarer Bose-Einstein-Kondensate zur Realisierung atomarer Quantenratschen untersucht werden. Während bisherige Experimente zu asymmetrischen Potentialen im stark gedämpften Bereich arbeiteten, wollen wir neuartige Methoden der Speicherung von Atomen in nichtdissipativen, variablen Lichtpotentialen erarbeiten. Ein besonders vielversprechender Ansatz zur Realisierung der erforderlichen nichtdissipativen, sägezahnförmigen Potentiale ist ein neuartiges Verfahren, das auf dem durch weitverstimmte Mehrphotonen-Raman-Übergänge induzierten Lichtpotential beruht. Vorarbeiten zeigen, dass solche Übergänge in sehr hoher Ordnung an kalten Atomen angeregt werden können, was bereits eine Steigerung der Frequenzauflösung unter die Fourier-Breite der treibenden Lichtfelder bei gepulster Anregung erlaubte. Diese Erfahrungen wollen wir auf den Ortsraum übertragen und in einer Doppler-sensitiven Geometrie Potentiale hoher, variabler Periodizität realisieren. Durch simultane Anregung von Übergängen unterschiedlicher Ordnung können beliebige periodische Potentialformen mit dem Verfahren der Fourier-Synthese erzeugt werden, was insbesondere die Erzeugung dreiecksförmiger Potentiale erlaubt. Wir erwarten, dass sich so extrem dissipationsarme Ratschenpotentiale realisieren lassen, in denen Quanteneffekte eine große Rolle spielen. Mit einem gut kontrollierbaren, atomphysikalischen System wollen wir so Quantenratschen realisieren und bei sehr kleinen atomaren Temperaturen eine Umkehr der Transportrichtung beobachten, welche durch den Tunneleffekt bedingt ist und eine Signatur für den quantenmechanischen Bereich darstellt. Es sollen konservative Ratschenpotentiale realisiert werden, bei denen der Trägheitsterm eine entscheidende Rolle spielt. Unser System erlaubt einen sehr genauen Vergleich von Theorie und Experiment. Aufgrund der schwachen Dämpfung erscheint es hier längerfristig möglich, erstmals eine Wärmepumpe für Quantenteilchen zu realisieren. Wir erwarten, dass die Anwendung asymmetrischer Mehrphotonengitter für Atome vielversprechende Perspektiven bietet, die von der Demonstration von Quanteneffekten der Nichtgleichgewichts-Thermodynamik bis zu neuartigen Quantencomputern reichen können.