Kurzfassung
Eine der bemerkenswertesten Eigenschaftend er Quantenmechanik ist die Vorhersage, dass sämtliche Mate-
rie prinzipiell wellenartiges Verhalten vorweisen kann.Durch diese fundamentale Manifestierung des Welle-
Teilchen Dualismus können kohärente Materiewellen Interferenzmuster in Analogie zur Interferenz von
Laserlicht bilden. Bose-Einstein Kondensate bestehend aus einer Wolke bosonischer Atome nahe dem ab-
soluten Nullpunkt stellen einen Materiezustand dar, der durch eine einzelne Wellenfunktion beschrieben
werden kann - ein Ausdruck eines makroskopischen Quantenmateriezustandes.
Aufgrund der makroskopischen Wellenfunktion und den zugehörigen Kohärenzeigenschaften stellen
Bose-Einstein Kondensate ideale Kandidaten dar, um die Eigenschaften von Kohärenz in makroskopischen
Quantensystemen zu erforschen. Diese Kohärenzeigenschaften haben einen vielseitigen Anwendungsbe-
reich und können zum Einen als Messwerkzeug dienen, das Anwendungen zum Beispiel in der Hochprä-
zisionsmessung hat. Auf der anderen Seite ist das Erforschen der Kohärenzeigenschaften des Bose-Einstein
Kondensats selber ein interessantes Forschungsgebiet.
Die vorliegende Arbeit kombiniert beides, indem sie zwei eigenständige Experimente vorstellt, die sich
jeweils einem der beiden Aspekte widmen. Wir präsentieren zunächst ein Experiment, das Bose-Einstein
Kondensate als Messinstrument für hochpräzise Messungen von Trägheitskräften verwendet, sowie ein Ex-
periment, das die Kohärenzeigenschaften eines Bose-Einstein Kondensats nach Wechselwirkung mit Laser-
pulsen auf Femtosekunden Zeitskalen untersucht.
Die schmale Impulsverteilung eines Bose-Einstein Kondensats bietet ideale Voraussetzungen für die Mes-
sung kleinster Trägheitskräfte mittels Atominterferometrie, die Anwendungen in der Navigation und Geo-
däsie bis hin zur Grundlagenforschung hat.Insbesondere Tests zu rUniversalität des freien Falls haben große
Bedeutung für die Bestätigung moderner Vereinheitlichungstheorien. Wir präsentieren hier einen Apparat,
dessen Ziel es ist, die Universalität des freien Falls mittels Atominterferometrie zweier Atomsorten zu er-
forschen. Das Durchführen unserer Messungen unter Mikrogravitation erlaubt es uns, lange Propagations-
zeiten (~Sekunden) zu erreichen und damit eine enorme Steigerung der Präzision im Vergleich zu vorigen
Experimenten. Eine essentielle Voraussetzung für Interferometrie auf solch langen Zeitskalen ist die Ein-
schränkung der Expansion der Atomwolke. In dieser Arbeit präsentieren wir die Implementierung einer
magnetischen Linse, die die kinetische Energie der Atomwolke mittels eines kurzen magnetischen Pulses
limitiert.
Die Kohärenzeigenschaften einesBose-Einstein Kondensats sind alleine bereits bemerkenswert,und dem-
nach erscheint die Frage naheliegend, ob sich diese Kohärenzeigenschaften auch auf die Ionisationsprodukte
des Kondensats, wie Kerne und Elektronen, übertragen. Um dieser Frage nachzugehen, verwenden wir ei-
ne kontrollierte Wolke ultrakalter Atome, die mit Laserpulsen auf Femtosekunden Zeitskala wechselwirkt.
Die kondensierten Atome werden durch das gepulste Licht über zwei Photonen Absorptionsprozesse ioni-
siert. Die ersten Schritte hin zu diesem Experiment stellen das Aufbauen und Optimieren einer kompletten
Quantengasmaschine,die Bose-Einstein Kondensate erzeugen kann, dar, gefolgt von der Integration des La-
sers, der die benötigten hohen Pulsenergien auf Femtosekunden Zeitskala produziert. Wir berichten über
die Untersuchung der Photoionisation von
87
Rb, indem Laserpulse auf Femtosekunden Zeitskala auf ein
Kondensat eingestrahlt werden. Das Durchstimmen der Intensität dieser Pulse kontrolliert die Zahl der
erzeugten Ionen. Zwei Photonen Ionisation einer thermischen Atomwolke konnte beobachtet werden.
Abstract One of the most striking features of quantummechanics is the prediction that all matter can exhibit wave-like behaviour. Being a fundamental manifestation of the particle wave duality, coherent matter waves can form interference patterns similar to the well-known interference of laser light waves. Bose-Einstein condensates constitute a cloud of bosonic atoms cooled near to absolute zero that form a state of matter described by one wave function - a manifestation of a macroscopic quantum state of matter. Due to the macroscopic wave function and the associated coherence properties, Bose-Einstein condensates are perfect candidates to study the nature of coherence in macroscopic quantum systems. These coherence properties have a wide range of applications and can,on the one hand,be utilised as a tool that, for example, can be applied in high precision measurements. On the other hand, studying the properties of Bose-Einstein condensates themselves is itself an interesting field of research. This thesis combines both by demonstrating two distinct experiments that tackle each aspect on its own. We present an experiment where, in the future, the Bose-Einstein condensate will be utilised as a probing device for high precision inertial sensing, as well as an experiment, where the coherence properties of a Bose-Einstein condensate after interaction with femtosecond laser pulses are investigated. The narrow momentum distribution of Bose-Einstein condensates offers ideal conditions for the meas- urement of very small inertial forces using matter wave interferometry with applications ranging from nav- igational devices and geodesy up to fundamental research. In particular, testing the universality of free fall is of grea tinterest to validate modern unification theories, and increasing the accuracy of such tests is essen- tial. We present an apparatus which aims to investigate the universality of free fall with dual species matter wave interferometry. Performing our measurements under microgravity allows for long propagation times (∼ seconds) and thereby greatly increased precision compared to previous experiments. An essential pre- requisite for interferometry on such long time scales is the limitation of the expansion of the atomic cloud. In this work, we present the implementation of a magnetic lens which limits the kinetic energy of the atomic cloud by a short magnetic pulse. The coherence properties of Bose-Einstein condensates themselves are remarkable and naturally the ques- tion arises to what extend these coherence properties can be transferred onto the ionisation products of the condensate such as nuclei und electrons. Investigating this questions we use a well-controlled cloud of ultracold atoms that interacts with femtosecond laser pulses. The condensed atoms get ionised by the light pulses via two-photon absorption processes. The first steps towards this experiment involve the setup and optimisation of a full quantum gas setup that provides the Bose-Einstein condensate, followed by the integration of the femtosecond laser that produces the required high-energetic pulses. We report on the investigation of photoionisation of ultracold 87 Rb induced by femtosecond laser pulses impinged on the condensate. Tuning the intensity of these laser pulses controls the number of produced ions. The detec- tion of the remaining atoms by absorption imaging gives information about number and temperature of the atoms. Two-photon ionisation of a thermal cloud of atoms could be observed