Seit der ersten experimentellen Realisierung der Bose-Einstein Kondensation im Jahre 1995 hat sich das Gebiet der Physik der ultrakalten Quantengase rasant in viele hochinteressante Forschungsrichtungen aufgefächert. Neben dem Bestreben eine Vielzahl von grundlegenden Quanteneffekten zu untersuchen, schließt dies auch konkrete Anwendungen ein, die sich die außergewöhnliche Kontrolle sämtlicher Parameter dieser Systeme zu nutzen machen.
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu zwei Projekten, deren Anforderungen sich sehr stark ähneln, wohingegen sich ihre Ziele deutlich unterscheiden.Im Kontext der QUANTUS Kollaboration wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit die potentielle Nutzung von Quantengasen in Weltraumanwendungen untersucht und das weltweit erste Experiment zur Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten unter Mikrogravitation entwickelt. Der Fallturm des Zentrums für angewandte Raumfahrt und Mikrogravitation (ZARM) diente hierbei als Entwicklungs- und Testplattform in Hinblick auf zukünftige Weltraummissionen. Die Forschung mit Quantengasen in Schwerelosigkeit verspricht die Beantwortung vieler bedeutender, bis dato unbeantworteter fundamentaler Fragestellungen. Besonders sei das Erreichen kältester Temperaturen, die Verlängerung der freien Expansionszeit und die Überprüfung fundamentaler physikalischer Konzepte als Anwendung für Quantensensoren von unerreichter Präzision hierbei hervorzuheben. Um das langfristige Ziel einer Quantengasplattform auf der internationalen Raumstation (ISS) zu verwirklichen, ist die massive Miniaturisierung des experimentellen Aufbaus unerlässlich. Des weiteren ist die zum Gelingen dieses Projektes benötigte mechanische Belastbarkeit der Apparatur eine Herausforderung, bei der besonderes Augenmerk auf das sensible Lasersystem zu richten ist. Einer der Hauptaspekte der vorliegenden Arbeit war daher die Entwicklung und Charakterisierung eines stark miniaturisierten und hochstabilen Lasersystems zur Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten für die Anwendung in störungsreichen Umgebungen. Nach der iterativen Weiterentwicklung und Erprobung der optischen Komponenten und der folgenden Implementierung in die Gesamtapparatur konnte durch den mit dieser Arbeit geleisteten Beitrag das oben genannte Experiment zur erstmaligen Erzeugung eines Bose-Einstein Kondensates in Mikrogravitation realisiert werden. Im Rahmen dieser Experimente ist besonders das Erreichen einer freien Entwicklungszeit von bis zu einer Sekunde zu nennen.
Ein weiterer Kernpunkt dieser Arbeit ist das ambitionierte Ziel, einem breiten Publikum aus Studenten, Schülern und der interessierten Öffentlichkeit nobelpreisprämierte Physik hautnah näherzubringen. Dieses Projekt profitiert von der im Rahmen dieser Arbeit umgesetzten Entwicklung eines vollständig fernsteuerbaren Quantengasexperimentes mit exzellenter Langzeitstabilität. Die faszinierende Welt der Quantengase mit ihrem weiten Spektrum an interessanten Phänomenen und technischen Herausforderungen wird verständlich präsentiert und über das Internet gesteuert erfahrbar. Zu diesem Zweck wurde eine separate, auf einem Atomchip basierende Apparatur zur Erzeugung und Untersuchung von Quantengasen entwickelt. Alternativ eröffnet der im Zuge dieser Arbeit entwickelte hochminiaturisierte und ultrastabile Aufbau die Möglichkeit für den direkten Einsatz an Schulen und anderen öffentlichen Einrichtungen.
Since the first experimental realization of Bose-Einstein condensation in 1995, this field of ultra-cold quantum gases quickly expanded into numerous highly interesting areas of research. This includes the quest for the understanding of a wide range of fundamental quantum phenomena as well as applications that benefit from the unprecedented degree of control in such systems.
The work presented in this thesis contributed to two projects, whose requirements are remarkably similar despite the fact that their goals are diverse. Within the QUANTUS collaboration, the utilization of quantum degenerate gases for space applications has been analyzed and a pioneering experiment demonstrating the realization of Bose-Einstein condensation in a microgravity environment has been developed during the course of this thesis. The drop tower at the Center of Applied Space Technology and Microgravity (ZARM) served as a development and test platform in view of future space missions. The possibility of performing measurements with quantum gases in weightlessness promises to be the key improvement as compared to earth based experiments to answer many highly interesting physical questions connected to e.g. the achievement of ever lowest temperatures, the extension of the time for unperturbed evolution and the application in tests on fundamental physical concepts with quantum sensors of unprecedented precision. In order to achieve the long term goal of placing a quantum gas apparatus on the International Space Station (ISS), the miniaturization of the experimental setup is essential. Of equal importance for the success of the project is the mechanical stability of the quantum gas setup, with special emphasis on the sensitive laser system. The development and characterization of such a highly miniaturized and ultra-stable laser system for use in highly perturbative environments has therefore been one of the main aspects of this thesis. Iterative development and testing of laser components as well as the subsequent implementation in the final apparatus have been conducted within the scope of this thesis and enabled the first realization of the afore mentioned quantum degenerate gases in microgravity. As one of the key results, the observation of a free, unperturbed time-evolution of a Bose-Einstein condensate of as long as one second has been achieved.
The second focus of the underlying thesis has been on the ambitious goal to make Nobel-Prize-winning physics available to a wide range of students and pupils as well as the interested public. This project benefits from the development of a fully remote controllable quantum gas setup with excellent long term stability attained within this work. The fascinating quantum world including its wide spectrum of interesting phenomena and technical challenges is presented in a comprehensive way and controlled via the Internet. For this purpose, an experiment for the generation and investigation of Bose-Einstein condensates on an atom chip basis was established during the course of this thesis. As an alternative, the development of a highly miniaturized and ultra-stable experimental setup paves the way to a portable BEC laboratory to be taken into schools.