Collisional Properties of Metastable Calcium Atoms in a Miniaturized Ioffe Trap

Abstract

This thesis presents experiments examining the collisional properties of cold metastable calcium atoms in a miniaturized magnetic trap. The elastic and inelastic collision rates are measured and compared to recent theoretical predictions. According to the theory, the collisions between metastable alkaline-earth atoms in a magnetic field are dominated by partial waves with large angular momenta even at low temperatures. Inelastic collision rates are predicted to be unusually large, even exceeding the elastic rates below 10 microkelvin. The experiments clearly confirm the general character of the theory and inelastic rates were found to be even one order of magnitude above the theory. As a consequence, evaporative cooling can be ruled out as a means to reach Bose-Einstein condensation of metastable Ca in a magnetic trap. In the experiment, atoms from a calcium oven are precooled in a Zeeman slower and loaded into a magneto-optical trap (MOT) operating on the ground state transition 1S0 -> 1P1 at 423nm. The metastable (4s4p) 3P2 level is populated through a decay channel originating from 1P1 and captured in a second MOT at 1978nm. Subsequently, the atoms are magnetically stored and transfered to a miniaturized Ioffe trap. Trap loss and reequilibration measurements of the aspect ratio of the sample yield the inelastic and elastic collision rates.

In dieser Dissertation werden Experimente vorgestellt, die die Eigenschaften von kalten Stößen zwischen metastabilen Kalziumatomen untersuchen, die in einer miniaturisierten Magnetfalle gespeichert sind. Die elastischen und inelastischen Stoßraten wurden gemessen und mit neuen theoretischen Vorhersagen verglichen. Laut Theorie werden die Stöße zwischen metastabilen Erdalkaliatomen in Magnetfeldern bei tiefen Temperaturen durch Partialwellen dominiert, die große Drehimpulse besitzen. Es werden ungewöhnlich große inelastische Streuraten vorhergesagt, die bei Temperaturen unter 10 Mikrokelvin die elastischen Streuraten sogar übertreffen. Die Experimente belegen klar die generelle Vorhersage der Theorie; die gemessenen inelastischen Streuraten liegen sogar noch eine Größenordnung über der Theorie. Die Möglichkeit, in einer Magnetfalle ein Bose-Einstein Kondensat mit metastabilen Kalziumatomen durch evaporatives Kühlen zu erzeugen kann somit ausgeschlossen werden. Im Experiment werden aus einem Kalziumofen kommende Atome in einem Zeeman Kühler abgebremst und in einer magneto-optischen Falle (MOT) gefangen, die den Grundzustandsübergang 1S0 -> 1P1 bei 423nm benutzt. Über einen Zerfallskanal aus dem 1P1 Niveau wird das metastabile (4s4p) 3P2 Niveau bevölkert und in einer zweiten MOT gefangen. Danach werden die Atome magnetisch gespeichert und in eine miniaturisierte Ioffe Falle transferiert. Die inelastischen und elastischen Streuraten werden dann über Lebensdauermessungen der Falle bzw. über Relaxationsmessungen des Aspektverhältnisses des Ensembles bestimmt.