Diese Dissertation behandelt Experimente an optisch gefangenen ultrakalten Kalziumatomen im elektronischen Grundzustand sowie im metastabilen Triplettzustand.
Ein Bose-Einstein-Kondensat aus Kalziumatomen im Grundzustand wurde realisiert durch eine evaporative Kühlphase in einem optischen Potential aus zwei gekreuzten fokussierten Gaußstrahlen. Aufgrund der hohen Streulänge von Kalziumatomen kommt es zu signifikanten Drei-Körper-Verlusten, die durch die Verwendung eines speziellen Evaporationsschemas überwunden wurden. Ein Kondensat mit 4000 Atomen wird in einem Lade- und Evaporationszyklus von weniger als 3 s erzeugt.
Die Atome werden durch eine neuartige räumlich selektive Ladetechnik präpariert. Diese umgeht die Komplexitäten der auf schmalbandigen Übergängen basierenden Kühlmechanismen in üblichen Experimenten mit Erdalkaliatomen und in Ytterbium. Der Ausgangspunkt ist eine magneto-optische Falle (MOT) im infraroten Spektralbereich für metastabile Atome im Zustand 3P2 mit einer Temperatur von 220 μK und mit einer Dichte von 2.3X10^10/cm^3. Ein schwacher Umpumplaser, der räumlich auf den Fangbereich der verwendeten Dipolfalle eingegrenzt ist, transferiert die 3P2 Atome in den zu untersuchenden Zustand. Nach dem Umladen in die Dipolfalle sind Atome im Grundzustand (1S0) gefangen, wobei die Phasenraumdichte drei Größenordnungen über dem in der infraroten magneto-optische Falle liegt. Mit Hilfe eines weiteren Lasers, rechtwinklig zur bestehenden Dipolfalle eingestrahlt, erhöht sich die Potentialtiefe im Überlappbereich. In dieser Konfiguration steigt die Phasenraumdichte auf 1.5X10^-3, was als Ausgangspunkt für die Evaporationsphase dient.
Ein Ensemble aus 3P0 Atomen wird in ähnlicher Weise präpariert, indem ein anderes Umpumpschema die 3P2 Atome aus der infraroten MOT in den neuen Zustand überführt. Die 3P0 Atome werden in der Dipolfalle gefangen und eine Phasen-raumdichte von 5.5X10^-6 wird erreicht. In diesem metastabilen Zustand wurden atomare Stoßprozesse untersucht. Dabei ergab sich die Konstante der Zwei-Körper-Verlustrate zu 4.3X10^-11cm^3/s. Das Verhältnis zwischen elastischer und inelastischer Stoßrate liegt in der Größenordnung von eins, was somit die Hoffnung mindert, das quantenentartete Regime mit einem Ensemble aus metastabilen Kalziumatomen über evaporative Kühlung zu erreichen.
In einem weiteren Schritt werden optisch gefangene 3P0 Atome nach 3P2 zurückgeführt. Hier werden höhere Verlustrate als für 3P0 beobachtet.
This thesis presents experiments on optically trapped ultracold calcium atoms in the singlet ground state as well as the metastable triplet states.
A Bose-Einstein condensate in the electronic ground state is achieved by implementing a forced evaporation scheme in a crossed-beam optical potential. The scheme is designed to overcome significant three-body losses which are a result of the large scattering length of this state. A condensate containing 4000 atoms is obtained in a combined loading and evaporation cycle of less than 3 s.
The atoms are prepared by using a novel spatially selective loading technique which circumvents the complexities associated with prevalent narrow-line cooling methods for alkaline earth and alkaline earth like elements. The starting point is a magneto-optical trap (MOT) operating in the infrared spectral region for metastable atoms in the state 3P2, whose temperature and density are 220 μK and 2.3X10^10/cm^3 respectively. 3P2 atoms are depumped to the state under observation by using a weak depumping beam confined within the trapping region of the optical dipole potential. On being depumped, the atoms are captured in the dipole trap. For the ground state (1S0) atoms a thousand fold increase of the phase space density over that in the infrared magneto-optical trap is attained. Additional confinement provided by the crossed beam geometry results in a phase space density of 1.5X10^-3 and forms the basis for evaporative cooling.
Atoms in the state 3P0 are realised in similar fashion from atoms in the infrared MOT by using a depumping laser operating on a different transition. These are then captured in the dipole trap, where the phase space density is measured to be 5.5X10^-6. Collisional properties of atoms in the metastable state have been investigated, and a two-body collision rate constant of 4.3X10^-11cm^3/s has been measured for the 3P0 state. The ratio of elastic to inelastic collision rates is predicted to be of order unity, and lowers hopes of reaching quantum degeneracy in pure samples of metastable state atoms by evaporative cooling.
In a further step, optically trapped 3P0 atoms have been depumped back to the 3P2 state. Collision rates in the 3P2 state have been observed to be higher than that in 3P0.