Kurzfassung
Die Atominterferometrie hat sich in den letzten beiden Jahrzehnten zu einer Schlüsseltechnologie, speziell für
Anwendungen, die extrem präzise Messungen benötigen, entwickelt.
Diese Anwendungsgebiete umfassen Messungen inertialer Kräfte, z.B. für die Geodäsie oder Navigation, aber auch
Fragestellungen der Grundlagenphysik, wie z.B. der Test des schwachen Äquivalenzprinzips.
Dabei ist ein Ansatzpunkt zur Verbesserung der erreichbaren Genauigkeit von Atominterferometern, der Transfer
des experimentellen Aufbaus in die Schwerelosigkeit. Da die Sensitivität solcher Sensoren quadratisch mit der
zur Verfügung stehenden Beobachtungszeit steigt, ist die Fallbeschleunigung auf der Erde meist ein limitieren
der Faktor.
In Schwerelosigkeit fallen die zu untersuchenden Atome im selben System, wie die umgebende Apparatur relativ
zu der Interferenzeffekte gemessen werden.
Die Möglichkeit Atominterferometer auf Zeitskalen von mehreren Sekunden zu realisieren, erfordert allerdings
einen neuen Typ atomarer Quellen. Die aktuell meist verwendeten thermischen Atome besitzen eine zu große
thermische Expansionsgeschwindigkeit, so dass sie nach den angestrebten Zeiten nicht mehr detektierbar wären.
Ein Bose-Einstein Kondensat (BEC) hingegen besitzt eine deutlich schmalere Impulsverteilung, so dass
Beobachtungszeiten im Sekundenbereich realisierbar werden. Dies macht es zu einem sehr vielversprechenden
Kandidaten für diese Art von Experimenten.
In dieser Arbeit wird die erstmalige Demonstration eines Atominterferometers, basierend auf Braggstreuung,
in Schwerelosigkeit präsentiert. Als Quelle dient ein BEC bestehend aus ca. 10000 Rb-Atomen, welches mit
Hilfe eines Atom-Chips generiert wurde. Neben der RF-Evaporation und dem adiabatischen Öffnen der Falle
wurde ein weiteres Kühlverfahren verwendet, die Delta-Kick-Kühlung. Dieses Verfahren basiert auf dem Einsatz
einer gepulsten magnetischen Falle um die kinetische Energie eines atomaren Ensembles zu reduzieren.
Damit konnte ein asymmetrisches Mach-Zehnder Interferometer mit einer Beobachtungszeit von bis zu 677,5 ms
demonstriert werden.
Neben der Atominterferometrie in Schwerelosigkeit konnte innerhalb dieser Arbeit die erstmalige Realisierung
eines Atominterferometers basierend auf Bragg-Doppelbeugung gezeigt werden. Dieses Schema ist der geeignetste
Ansatz für Atominterferometrie in Schwerelosigkeit, da nur diese Geometrie die Verwendung eines
Retroreflektors als Referenz erlaubt. Deshalb ist eine solche Geometrie, allerdings basierend auf
Raman-Streuung, die Grundlage für ein geplantes satellitenbasiertes Atominterferometer zur Vermessung des
schwachen Äquivalenzprinzips, STE-QUEST.
Für dieses Projekt wurde im Rahmen dieser Arbeit ein System geplant, das als Interface zwischen den
Laserquellen und der Vakuumapparatur dienen soll. Es soll sowohl das schnelle Schalten, als auch die
Intensitätskontrolle des Laserlichts gewährleisten. Zusätzlich ist die Aufteilung der verschiedenen
Frequenzen auf die Fasern zur Vakuumkammer Aufgabe dieses Systems.
Atom interferometry emerged as a key technology in the last decades, especially for applications requiring
extremely precise measurements. These applications include measurements of inertial forces, e.g. for geodesy
or navigation, but also questions on fundamental physics, like a test of the weak equivalence principle, can
be addressed with these devices. An approach for increasing the sensitivity of atom interferometers is their
utilization in weightlessness. As the sensitivity of an atom interferometric measurement scales with the
square of the available observation time, the gravitational acceleration on earth is generally one of the
main limiting factors. In weightlessness, the atoms and the apparatus are falling in the same rest frame,
so no relative accelerations are present. However, the desired observation time of up to several seconds,
requires for the development of a new source for atom interferometers. In the most state-of-the-art atom
interferometer experiments thermal atoms are used as source, which feature a thermal expansion velocity that
makes their detection on time scales of several seconds unfeasible. Whereas a Bose-Einstein condensate (BEC)
posseses an ultra narrow momentum distribution, which makes it a very promising candidate for this purpose.
In this thesis, the first demonstration of a Bragg interferometer based on a BEC in microgravity will be
presented. The interferometer uses a BEC of about 10000 Rb-atoms, which has been generated by an atom chip.
Next to RF evaporation and adiabatically opening the trap, another cooling mechanism, the delta kick cooling,
has been demonstrated. This mechanism makes use of a pulsed magnetic trap to reduce the kinetic energy of a
given ensemble. With the help of this scheme, an atom interferometer with a total interrogation time of
677.5 ms could be realized. Apart from atom interferometry in microgravity, also the first realization of an
atom interferometer based on double Bragg diffraction could be demonstrated in this thesis. This
interferometer geometry is best suited for the requirements and circumstances in space, as it is the only
scheme which allows for the utilization of a retro-reflector as reference plane. Thus, such an interferometer,
but based on double Raman scattering, will be the baseline for the upcoming satellite mission STE-QUEST,
which aims for a precise test of the weak equivalence principle. For this mission a system which interfaces
the laser sources with the physics package has been designed within this thesis. It shall allow for the
switching and intensity control of the laser light as well as for the distribution of the laser light into
the several optical fibers guiding the light to the vacuum chamber.