Seit der erfolgreichen experimentellen Realisierung von Bose-Einstein-Kondensaten mit Akalimetallatomen im Jahr 1995 hat sich dieses Forschungsgebiet nahezu exponentiell entwickelt. Obwohl bereits eine Vielzahl an Phänomenen theoretisch und experimentell untersucht wurden, zeigt das Gebiet der ultrakalten Quantengase eine ungebremste Aktivität in der Erforschung neuer fundamentaler Fragestellungen.
Mehrkomponentige Bose-Einstein-Kondensate erweitern das Spektrum der Phänomene in vielfältiger Weise. Das Kondensat besteht hier aus mehreren kondensierten und untereinander wechselwirkenden Komponenten. Die thermischen Atome können auch in den verschiedenen Zuständen vorliegen und bieten damit eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme und Konfigurationen zur Untersuchung von mehrkomponentigen Quantensystemen bei endlichen Temperaturen.
Werden die einzelnen Komponenten durch Spineinstellungen repräsentiert, so spricht man von Spinorkondensaten. Der Spin als Freiheitsgrad bietet zusätzlich die Möglichkeit der Umwandlung der Komponenten durch Spindynamik. Obwohl Spinorkondensate eine Vielfalt neuer Ergebnisse erwarten lassen, wurden bislang nur sehr wenige Experimente durchgeführt. So wurden Spinorkondensate in einem effektiven-Spin-1/2-System mit Rb-87 am JILA sowie für die F=1-Mannigfaltigkeit von Natrium am MIT studiert. Zeitgleich zu dieser Arbeit wurden Spinorkondensate an Rb-87 am Georgia-Tec untersucht.
Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein Experiment zur Erzeugung und Untersuchung von Spinorkondensaten mit Rb-87-Atomen konzipiert und aufgebaut. Neben dem Aufbau der Vakuumapparatur und des Lasersystems musste eine Dipolfalle zur Spin-unabhängigen Speicherung der Atome realisiert sowie Verfahren zur Manipulation und Detektion von Spinzuständen implementiert und optimiert werden. Die verwendeten Techniken werden in der Arbeit ausführlich diskutiert und mit theoretischen Modellen verglichen. Darüber hinaus wird die Phasenkontrast-Detektion von Spinorkondensaten, die zerstörungsfreie Messung der zeitlichen Entwicklung der Spindynamik und die Verschiebung der atomaren Energieniveaus durch Laserlicht im Kontext der experimentellen Parameter diskutiert.
An der Apparatur konnten weltweit erstmals fünfkomponentige Spinorkondensate in F=2 im Detail studiert werden. An F=1-Spinorkondensaten wurde das thermodynamische Regime bei endlichen Temperaturen untersucht. Hier konnte ein neuartiger experimenteller Zugang zur 'Bose-Einstein-Kondensation bei konstanter Temperatur' sowie 'thermodynamisch getriebene Spinausrichtung' gezeigt werden. Durch Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Lösungen eines Ratengleichungsmodells werden die vorliegenden einzelnen Prozesse identifiziert und quantifiziert. Ferner wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals eine Gemischte-Spinkanal-Feshbachresonanz zwischen unterschiedlichen Hyperfeinzuständen vermessen. Die Verlustrate aufgrund der Resonanz wird mit theoretischen Lösungen für verschiedene Zerfallsmodelle ausgewertet.
The successful realisation of Bose-Einstein condensates in alkali metal atoms in 1995 led to an almost exponential growth of this research area. Although multiple phenomena have already been explored theoretically and experimentally there is still an undiminished activity in the exploration of new fundamental problems in the field of ultra-cold quantum gases.
Multi-component Bose-Einstein condensates extend the spectrum of phenomena in various ways. Here the condensate consists of multiple condensed and interacting components. The thermal atoms also exist in these different states and therefore offer a variety of systems and configurations for the exploration of multi-component quantum systems at finite temperature.
If the components correspond to the alignment of the spin vector, these systems are termed 'spinor condensates'. The spin degree of freedom additionally offers the possibility of conversion between components due to spin dynamics. Although the exploration of spinor condensates promises a variety of new results, only a few experiments have been done so far. In this context spinor condensates in an effective spin-1/2 system in Rb-87 have been studied at JILA and in the F=1-manifold of sodium at MIT. Concurrent to this thesis spinor condensates in Rb-87 have been explored at Georgia-Tec.
As main part of this thesis an experiment for the generation and investigation of spinor condensates of Rb-87 atoms has been designed and assembled. In addition to the vacuum and laser systems a dipole trap for spin-independent trapping of atoms as well as methods for manipulation and detection of spin states had to be implemented and optimised. These techniques are discussed in detail and compared to theoretical models. Furthermore the phase-contrast detection of spinor condensates, the non-destructive measurement of the time evolution of spin dynamics and the energetic modification of atomic levels by laser light is presented in consideration of the experimental parameters.
The experiment allowed for the first studies world wide of five-component spinor condensates in F=2. The F=1 spinor condensates have been explored in the thermodynamical regime at finite temperatures. A novel experimental approach to 'Bose-Einstein condensation at constant temperature' and 'thermodynamically driven spin alignment' have been demonstrated. The comparison of experimental results to solutions of a rate equation model is used to identify and quantify the seperate processes. Furthermore a mixed-spin-channel Feshbach resonance between different hyperfine levels has been measured for the first time. The loss rate due to this resonance is analysed in the context of theoretical solutions of different loss models.