Increasing the Atomic Density in a Dark Optical Lattice

Abstract

This thesis explores ensembles of ultracold atoms, trapped and cooled in dark optical lattices. In this type of optical lattice, atoms are trapped in quantum states which are decoupled from the trapping light field. Therefore, elastic scattering - the main process limiting the density of atoms in optical lattices - is significantly reduced. This entails the chance to overcome the density limit existing in conventional optical lattices. We explore a novel scheme for density enhancement which allows for a four-fold density increase over the initial density of the magneto-optical trap (MOT). We load atoms from the MOT into a modified optical lattice consisting of a three-dimensional dark optical lattice and a far-detuned optical dipole trap. Atoms are now cooled down in the potentials of dark optical lattice at typical densities of a MOT. The enhancement procedure is based on a time sequence composed of cooling and trapping cycles inside the dark optical lattice and cycles of free evolution in an array of microscopic potentials formed by the dipole trap.

Im Rahmen dieser Arbeit werden kalte Atome in einem dunklen optischen Gitter untersucht. In diesem Typ von optischem Gitter sind die Atome in Zuständen gefangen, die nur schwach mit dem Lichtfeld wechselwirken. Dadurch ist die elastische Komponente der Photonenstreuung, die in konventionellen optischen Gittern für die Begrenzung der atomaren Dichte verantwortlich ist, erheblich reduziert. Deswegen wird es möglich in dunklen optischen Gittern die Dichtebegrenzung konventioneller optischer Gitter zu übertreffen. Wir untersuchen eine neue Methode der Dichteerhöhung, mit der wir einen vierfachen Anstieg der atomaren Dichte gegenüber der Anfangsdichte in der MOT erreichen. Die Atome werden aus einer magneto-optischen Falle in eine Überlagerung von zwei optischen Fallen geladen. Diese ist durch ein drei-dimensionales dunkles optisches Gitter und eine fernverstimmte optische Stehwellen-Dipolfalle gebildet. Das Verfahren der Dichteerhöhung basiert auf abwechselnden Zyklen der Kühlung und Lokalisierung in dem dunklen optischen Gitter und Zyklen der freier Expansion in den Mikropotentialen der optischen Stehwellen-Dipolfalle.