München, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.

Freie Universiẗat, Diss., 2005--Berlin. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Aachen, Techn. Hochsch., Thesis (doctoral), 2002.

Ultra-kalte atomare Gase werden in zahlreichen Laboren weltweit untersucht und finden unter anderem Anwendung in Atomuhren und in Atominterferometer. Die Einsatzgebiete erstrecken sich von der Geodäsie über die Metrologie bis hin zu wichtigen Fragestellungen der Fundamentalphysik, wie z.B. Tests des Äquivalenzprinzips. Doch die beispiellose Messgenauigkeit ist durch die irdische Gravitation eingeschränkt. Zum einen verzerrt die Schwerkraft das Fallenpotential und macht damit die Reduktion der atomaren Energie unter einem bestimmten Limit unmöglich. Zum anderen werden die aus einer Falle frei gelassenen Teilchen durch die Erdanziehung beschleunigt und so ist deren Beobachtungszeit begrenzt. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Ergebnisse des Projektes QUANTUS (Quantengase Unter Schwerelosigkeit) dargestellt. Auf dem Weg zur Implementierung eines Quantengasexperimentes im Weltraum wurde innerhalb einer deutschlandweiten Zusammenarbeit eine kompakte, portable und mechanisch stabile Apparatur zur Erzeugung und Untersuchung eines Bose-Einstein-Kondensats (BEC) unter Schwerelosigkeit im Fallturm Bremen entwickelt. Sowohl die Abbremsbeschleunigung von bis zu 50 g als auch das begrenzte Volumen der Fallkapsel stellen hohe Ansprüche an die mechanische Stabilität und die Miniaturisierung von optischen und elektronischen Komponenten. Der Aufbau besteht aus einer im ultra-hoch Vakuum geschlossenen magnetischen Mikrofalle (Atomchip) und einem kompakten auf DFB-Dioden basierenden Lasersystem. Mit diesem Aufbau ließ sich das erste BEC unter Schwerelosigkeit realisieren und nach 1 Sekunde freier Expansion zu beobachten. Weder die schwache Krümmung des Fallenpotentials noch die lange Beobachtungszeit würden in einem erdgebundenen Experiment realisierbar. Die erfolgreiche Umsetzung des Projektes eröffnet ein innovatives Forschungsgebiet - degenerierte Quantengase bei ultratiefen Temperaturen im pK-Bereich, mit großen freien Evolutions- und Beobachtungszeiten von mehreren Sekunden. / Recently, cooling, trapping and manipulation of neutral atoms and ions has become an especially active field of quantum physics. The main motivation for the cooling is to reduce motional effects in high precision measurements including spectroscopy, atomic clocks and matter interferometry. The spectrum of applications of these quantum devices cover a broad area from geodesy, through metrology up to addressing the fundamental questions in physics, as for instance testing the Einstein’s equivalence principle. However, the unprecedented precision of the quantum sensors is limited in terrestial laboratories. Freezing atomic motion can be nowadays put to the limit at which gravity becomes a major perturbation in a system. Gravity can significantly affect and disturb the trapping potential. This limits the use of ultra-shallow traps for low energetic particles. Moreover, free particles are accelerated by gravitational force, which substantially limits the observation time. Targeting the long-term goal of studying cold quantum gases on a space platform, we currently focus on the implementation of a Bose-Einstein condensate (BEC) experiment under microgravity conditions at the drop tower in Bremen. Special challenges in the construction of the experimental setup are posed by a low volume of the drop capsule as well as critical decelerations up to 50g during recapture at the bottom of the tower. All mechanical and electronic components were thus been designed with stringent demands on miniaturization and mechanical stability. This work reports on the observation of a BEC released from an ultra-shallow magnetic potential and freely expanding for one second. Both, the low trapping frequency and long expansion time are not achievable in any earthbound laboratory. This unprecedented time of free evolution leads to new possibilities for the study of BEC-coherence. It can also be applied to enhance the sensitivity of inertial quantum sensors based on ultra-cold matter waves.

Atominterferometrie (AI) auf Basis von Lichtpulsen ist ein wichtiges Werkzeug der Präzisionsmesstechnik in Bereichen der inertialen Sensorik oder Fundamentalphysik geworden. Vor allem in Kombination mit ultrakalten, atomaren Quellen, sowie der Verwendung im schwerelosen Raum, werden hohe Sensitivitäten erwartet, die Verletzungen des schwachen Äquivalenzprinzips nachweisen können. QUANTUS-2 ist ein mobiles Atominterferometer, das am ZARM Fallturm in Bremen operiert. Durch seine Atomchip-basierte atomare Rubidiumquelle mit hoher Flussdichte dient es als Vorreiterexperiment für zukünftige Weltraummissionen, bei denen Schlüsseltechnologien wie die Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten (BECs), Delta-Kick Kollimation oder Anwendung verschiedener AI-Geometrien auf sekundenlangen Zeitskalen untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kalium-Diodenlasersystem aufgebaut, um die Funktionalität auf Zwei-Spezies Nutzung zu erweitern. Basierend auf dem Design des Rubidium-Diodenlasersystem mit mikrointegrierten Laserdiodenmodulen und kompakter Elektronik, konnte es erfolgreich qualifiziert werden. In einem Machbarkeitsbeweis wurde eine magneto-optische Falle mit Kalium generiert, die die Fähigkeit des Lasersystems zum Fangen von Atomen demonstriert. Mit Rubidium wurden offene Ramsey-Interferometer und Mach-Zehnder Interferometer (MZIs) am Boden und in über 155 Abwürfen untersucht. Die Kombination von unterschiedlich stark Delta-Kick kollimierten BECs und AI in Schwerelosigkeit eröffnete eine neue Methode zur Bestimmung der magnetischen Linsendauer zur optimalen Kollimierung. Asymmetrische MZIs mit Interferometerzeiten von 2T > 1s konnten erfolgreich demonstriert werden. Mit gravimetrischen Untersuchungen am Boden auf Basis von MZIs und einer zusätzlichen Methode der Atomlevitation wurde die lokale Gravitationsbeschleunigung g ermittelt. Die untersuchten Schlüsseltechnologien sind fundamentale Notwendigkeiten, um den Weg für zukünftige Weltraummissionen aufzubereiten. / Light-pulse atom interferometry (AI) is an important tool for high precision measurements in the fields of inertial sensing or fundamental physics. Especially in combination with ultra-cold atomic sources and operation in microgravity, high sensitivities are expected that are necessary for the search for violations of the weak equivalence principle. QUANTUS-2 is a mobile atom interferometer operating at the ZARM drop tower in Bremen. With its high-flux, atom chip-based atomic rubidium source, it serves as a pathfinder for future space missions, examining key technologies like the generation of Bose-Einstein condensates (BECs), implementation of delta-kick collimation or application of various AI geometries. In this thesis, a potassium diode laser system has been built to complete the preordained functionality of dual-species operation. Based on the design of the rubidium laser system with micro-integrated laser diode modules and compact electronics, it successfully passed the qualification tests. In a proof of principle measurement, a potassium magneto-optical trap could be generated to prove the system’s capability of trapping atoms. With rubidium, open Ramsey type interferometers and Mach-Zehnder interferometers (MZIs) were examined on ground and in over 155 drops in microgravity. The combination of variably delta-kicked collimated BECs and AI in microgravity revealed a new technique to determine the magnetic lens duration for optimal collimation. Asymmetric MZIs with interferometry times of 2T > 1s have successfully been demonstrated. Gravimetric examinations on ground with MZIs and by an additional levitation technique have been performed to determine the local gravitational acceleration g. The examined key technologies are fundamental necessities that have to be considered to pave the way for future space missions.