Kurzfassung
Diese Arbeit behandelt die experimentelle Beobachtung von Superradianz auf der Spin-verbotenen Interkombinationslinie 1S0 $ 3P1, deren natürliche Linienbreite in Kalziumatomen 374 Hz beträgt. Superradianz ist ein kollektives Phänomen, bei dem die Emissionsrate von elektronisch angeregten Atomen abhängig von der Teilchenzahl gegenüber der Spontanzerfallsrate eines einzelnen Atoms erhöht wird. Für das Auftreten von Superradianz muss der interatomare Abstand kleiner als die Emissionswellenlänge sein. Zudem muss die beispielsweise durch den Dopplereffekt auftretende inhomogene Verbreiterung des Übergangs im Vergleich zur kollektiv erhöhten Emissionsrate klein sein.
In dieser Arbeit wird ein System vorgestellt, mit dem Kalziumatome in verschiedenen Zuständen des metastabilen Tripletts präpariert und in einem resonatorgestützten magischen optischen Gitterpotential gefangen werden können, welches die Übergangsfrequenz der Interkombinationslinie nicht beeinflusst. Durch hinreichende Gittertiefe wird das Lamb-Dicke Regime erreicht, sodass der Doppler-Effekt entlang der Gitterachse stark unterdrückt wird.
Wir präparieren Atome zunächst im untersten Triplettzustand. Dessen Langlebigkeit ermöglicht uns, die Ladephase des optischen Gitters zu optimieren. Mit einem kurzen Pumppuls werden die Atome in den Triplettzustand 3P1 überführt. Der Grundzustand (Singulett 1S0) bleibt weiterhin unbesetzt. Die dadurch entstehende Besetzungsinversion ist essenziell für die Ausbildung von Superradianz auf der Interkombinationslinie. Bei dem Zerfall des
so präparierten Ensembles beobachten wir zwei Zeitkonstanten: Ein Anteil zerfällt spontan mit mit einer Zeitkonstanten von 431 μs, in Übereinstimmung mit der erwarteten natürlichen Lebensdauer des 3P1-Zustandes. Ein zweiter Teil der Atome folgt einer deutlich kürzeren Zeitkonstanten von 76 μs. Diese ist ein deutliches Anzeichen für den kollektiven Zerfall der Kalziumatome beziehungsweise für Superradianz.
This thesis discusses the experimental observation of superradiance on the spin-forbidden intercombination transition 1S0 $ 3P1 in calcium atoms. The natural linewidth of this transition is 374 Hz. Superradiance is a phenomenon in which the decay rate of excited atoms is collectively enhanced, depending on the number of atoms. The atoms need to be confined to a volume which is small compared to the emission wavelength. Additionally, any inhomogeneous broadening of the atomic transition (e.g. Doppler broadening) may not exceed the collectively enhanced emission rate. An experimental setup is presented which allows us to prepare calcium atoms in various metastable triplet states 3PJ . The atoms are trapped in a cavityenhanced optical lattice that uses the magic wavelength and therefore does not disturb the atomic transition frequency. The lattice also enables us to exploit the Lamb-Dicke regime in order to suppress Doppler broadening. We first prepare atoms in the long-lived state 3P0, which allows for optimization of the lattice loading process. We then optically pump them into the 3P1 state, where the duration of the pump pulse is short compared to the lifetime of the state. This creates an inverted sample of atoms on the intercombination line. We now detect the emission rate of photons into a cavity mode and observe two distinct time constants. One part shows spontaneous decay with the expected time constant of 431 μs. The other part decays much faster within 76 μs. This indicates collective decay of the atoms and therefore superradiance.