Jan Grünert, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg
 

Ultracold metastable calcium atoms in a bichromatic magneto-optical trap

Keywords: Laser cooling and trapping, magneto-optical trap, metastable atoms, atomic clocks, quantum optics

Summary

This thesis explores a particularly efficient method for the production of large samples of ultracold calcium atoms that are required to create a continuous source of coherent matter waves. The existence of extremely long-lived metastable states is used in combination with a narrow band, closed cycle, infrared transition.

An optimized conventional magneto-optical trap (MOT) collects atoms from a Zeeman cooled atomic beam using a strong dipole transition within the singlet system. The temperature of the trapped atomic sample is Doppler-limited due to the lack of ground state Zeeman-structure. The cooling transition is not completely closed thus yielding an intense flux of above 10¹⁰ atoms/s into the metastable triplet state ³P₂. The ground-state MOT lifetime of 23 ms is mainly limited by this decay channel and not by inelastic collisions. A second magneto-optical trap sharing the same magnetic field gradient is superimposed which captures and further cools the metastable atoms using the narrow-band infrared transition ³P₂ to ³D₃. In the present experiment we prepared 3 * 10⁸ atoms within 250 ms at temperatures below 20 mK. Minor technical improvements of the setup promise to yield more than 10¹⁰ atoms at sub-microkelvin temperatures within one second.

This approach offers a combination of very low temperatures and remarkably large sample sizes, which opens up perspectives to reach quantum degeneracy in forthcoming experiments.

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine besonders effiziente Methode zur Erzeugung einer großen Anzahl ultrakalter Kalziumatome untersucht, welche benötigt werden, um eine kontinuierliche Quelle kohärenter Materiewellen zu realisieren. Dazu werden äußerst langlebige metastabile Zustände kombiniert mit einem schmalbandigen geschlossenen infraroten Übergang.

Eine optimierte konventionelle magneto-optische Falle fängt Atome aus einem Atomstrahl, der mittels eines starken Dipol-Übergangs zwischen Singulett-Zuständen durch Zeeman-Technik gekühlt wurde. Die Temperatur der gefangenen Atome ist Doppler-begrenzt, weil der Grundzustand von Kalzium keine Zeemanstruktur aufweist. Der Kühlübergang ist nicht vollständig geschlossen, wodurch ein intensiver Fluß von über 10¹⁰ Atomen pro Sekunde in den metastabilen Zustand ³P₂ erfolgt. Die Lebensdauer der Grundzustandsfalle von 23 ms wird maßgeblich durch diesen Zerfallskanal und nicht durch inelastische Stöße begrenzt. Eine zweite magneto-optische Falle, die der ersten überlagert ist und somit den gleichen Magnetfeldgradienten verwendet, fängt die metastabilen Atome ein und kühlt sie weiter auf dem schmalbandigen Übergang von ³P₂ nach ³D₃. Im vorliegenden Experiment konnten 3 * 10⁸ Atome innerhalb von 250 ms auf Temperaturen unter 20 mK gebracht werden. Geringe technische Verbesserungen des Aufbaus sollten erlauben, mehr als 10¹⁰ Atome innerhalb einer Sekunde auf Submikrokelvin-Temperaturen zu bringen.

Diese Methode stellt eine besonders große Anzahl von Teilchen bei sehr tiefen Temperaturen zur Verfügung, wodurch die Perspektive eröffnet wird, in anschließenden Experimenten Quantenentartung zu erreichen.