Kurzfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem neuartigen Verfahren, um 40Ca-Atomensembles mit hoher Phasenraumdichte (PSD) im Grundzustand 1S0 zu erzeugen. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem die 40Ca-Atome kontinuierlich und effizient von einer magneto-optischen Falle (MOT) für den 3P2-Triplett-Zustand mit begrenzter Dichte in eine optische Dipolfalle (ODT) transferiert werden. Nach der Uebertragung ist die Atomdichte der ODT eine Größenordnung und die PSD der ODT drei Größenordnungen höher. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Transferprozess durch optisches Pumpen nicht durch den Volumenunterschied zwischen MOT und ODT begrenzt und dass er räumlich und energetisch hochgradig selektiv ist. Mittels numerischer Simulationsrechnungen wurden die relevanten physikalischen Mechanismen identifiziert, welche für den Einfangprozess und den Verlusten in der Falle eine Rolle spielen. Als nächstes wurde eine gekreuzte Dipolfalle (CODT) verwendet, um die PSD des Ensembles weiter zu erhöhen. Unter Verwendung eines selbstentwickelten Befüllungsschemas konnte die Atomdichte in der 1S0 CODT den Bereich von 1014 cm-3 erreichen. Rechnungen ergaben, dass die Atome noch mehrere hundert Millisekunden nach Beenden des Ladevorgangs im Überlappungsbereich eingefangen werden. Als letztes wurde mit einem optimierten Evaporationskühlungsprozess versucht, den Zustand eines Bose-Einstein-Kondensats (BEC) zu erreichen. Anhand zweier erfolgreich erprobter Evaporationskühlungsverfahren für 174Yb- und 40Ca-Atomensembles mit vergleichbaren Teilchendichten und Temperaturen konnte die Evaporationsstrategie für den verwendeten experimentellen Aufbau optimiert werden. Die dadurch erzielte PSD von 0,146 stellt die bis dato höchste erreichte PSD für diesen Aufbau dar. Während der Evaporation wurde ein kontinuierlicher, schneller Teilchenverlust beobachtet, der unabhängig von der angewandten Evaporationsstrategie auftritt und vermutlich auf Erwärmung durch Streulicht zurückzuführen ist.
In this thesis, a novel approach for the production of 40Ca ensembles at high phase space density (PSD) in the 1S0 state is investigated. Firstly, a continuous loading scheme is studied to efficiently transfer 3P2 atoms from a density limited 3P2 triplet magneto-optical trap (MOT) into an optical dipole trap (ODT) in the 1S0 ground state. As a consequence, the density of the atoms in the ODT is one order of magnitude larger and the PSD of the atoms in the ODT is three orders of magnitude larger compared to the parameters of the 3P2 triplet-MOT. The results indicate that the loading process is neither limited by the volume difference between the MOT and the ODT nor by the density limited atomic reservoir. Numerical models are presented which identify the relevant physical mechanisms of the loading and decay dynamics. Moreover, they reveal that the novel loading scheme is based upon a spatial energy selective optical pumping transfer. Secondly, a crossed optical dipole trap (CODT) setup is applied to further increase the PSD of the ensemble. Utilizing the developed loading scheme, the peak density of the atoms in the dimple formed by the 1S0 CODT reaches the order of 1014 cm-3. Finally, in order to realize a 40Ca Bose-Einstein Condensate (BEC), forced evaporative cooling is applied. Two evaporation schemes previously applied for 174Yb and 40Ca are studied which are successfully applied to atomic samples with densities and temperatures comparable to our initial sample. The experimental observations are used to optimize the evaporation strategy for our specific case. Utilizing the newly designed strategy, the highest obtained PSD of the atom ensemble is 0.146, limited by a fast loss of particles arising at the end of the evaporation process - independent of the specific protocol used. Numerical calculations suggest that residual stray light heating might be the underlying mechanism.