In der vorliegenden Arbeit wird ein neuentwickelter experimenteller Aufbau zur Untersuchung von ultrakalten Ytterbiumquantengasen in optischen Gitterpotentialen mit Hilfe von höchstpräziser Spektroskopie auf einem ultraschmalen Übergang im optischen Frequenzbereich vorgestellt. Dabei ist es im Rahmen dieser Arbeit erstmals gelungen Ytterbium aus einem thermischen Atomstrahl in einer zweidimensionalen magnetooptischen Falle zu fangen und zu kühlen. Darüber hinaus werden erste experimentelle Resultate zur Erzeugung von quantenentarteten Bose- und Fermigasen der Isotope 174Yb und 173Yb in diesem Aufbau präsentiert. Die Verfügbarkeit ultrakalter Quantengase mit großen Teilchenzahlen bildet hierbei einen hervorragenden Ausgangspunkt für die Untersuchung bislang wenig erforschter, stark korrelierter Quantensysteme und -phasen, die durch ultrakalte Ytterbiumatome in periodischen Potentialen realisiert werden können, beispielsweise Kondoisolatoren und Systeme mit SU(N)-Spinsymmetrie.
Das vorgestellte Experiment basiert im Kern auf einem neuartigen 2D-/3D-MOT-Konzept für Ytterbium. Hierbei wird zunächst eine 2D-MOT, die den breiten Übergang 1S0-1P1 verwendet, direkt aus dem Atomstrahl eines Dispensers geladen. Der von ihr erzeugte Strahl kalter Ytterbiumatome wird seinerseits zum Laden einer 3D-MOT auf der Interkombinationslinie 1S0-3P1 verwendet. Durch die Verwendung dieses schmalen Übergangs können minimale Temperaturen von etwa 20 μK in der MOT erzielt werden, allerdings ist für effizientes Laden aus der 3D-MOT eine anfängliche Erhöhung der Einfanggeschwindigkeit durch die spektrale Verbreiterung sowie höchstmögliche Intensität des Kühllasers notwendig. Die in diesem 2D-/3D-MOT-Aufbau erzielten Laderaten sind mit typischerweise 1.5x107 s-1 für das bosonische Isotop 174Yb ähnlich hoch wie in Yb-MOTs, die aus einem Zeemanslower geladen werden, oder sogar höher. Darüber hinaus bietet er exzellenten optischen Zugang für zukünftige Experimente. Insbesondere erlaubt die Verwendung von Dispensern als Atomquellen den Betrieb der 3D-MOT in einer kompakten Glaszelle und damit Laserkühlung von Rubidium in demselben Aufbau, wodurch die Erzeugung ultrakalter Quantengasmischungen aus Ytterbium und Rubidium stark vereinfacht wird.
Zur Erzeugung quantenentarteter Gase wird das lasergekühlte Ytterbium anschließend aus der stark komprimierten MOT in eine gekreuzte optische Dipolfalle umgeladen. Diese besteht aus einer starken horizontalen Falle, deren anfängliche Tiefe einer Temperatur von 0.6 mK entspricht, sowie einer zweiten, vertikalen Falle, die zusätzlichen horizontalen Einschluss in der Kreuzungsregion erzeugt. Im Zuge erzwungener evaporativer Kühlung des Gases durch fortlaufendes Senken der Fallentiefe werden die Atome, die anfangs ausschließlich in der horizontalen Falle gefangen werden, in der Kreuzungsregion konzentriert und dort wiederum weiter bis in das quantenentartete Regime gekühlt. Es wurden auf diese Weise Bose-Einstein-Kondensate aus 1x105 174Yb Atomen ohne erkennbaren thermischen Anteil und hochentartete Fermi-Gase von typischerweise 2x104 173Yb bei Temperaturen von T/TF = 0.15 sowie minimalen beobachteten Temperaturen von T/TF = 0.09 erzeugt. Der in dieser Arbeit vorgestellte experimentelle Aufbau ist daher bestens für die zukünftige experimentelle Untersuchung der neuen Quantenphasen, die in gemischten ultrakalten Quantengasen des Grundzustands 1S0 sowie des metastabilen Zustands 3P0 von Ytterbium erwartet werden, geeignet.
Abschließend werden mögliche Anwendungen doppler- und rückstoßfreier Spektroskopie auf dem ultraschmalen Uhrenübergang 1S0-3P0 zur Messung von Wechselwirkungen und Korrelationen in jenen Quantengassystemen behandelt. Insbesondere wird hierbei auf Möglichkeiten zur Beobachtung von Spinkorrelationen zwischen den Zuständen 1S0 und 3P0 sowie zwischen angrenzenden Gitterplätzen eingegangen.
In this thesis, a newly developed experimental apparatus for studies of ultracold quantum gases of ytterbium atoms in optical lattices using ultraprecise spectroscopy in the optical domain and first experimental results on the creation of bosonic and fermionic quantum-degenerate gases are presented. Two-dimensional magneto-optical trapping of ytterbium is demonstrated for the first time. Nearly pure Bose-Einstein condensates of 174Yb and highly quantum-degenerate Fermi gases of 173Yb with large particle numbers provide an excellent starting point for future experiments on novel strongly correlated quantum phases of ytterbium in optical lattices, e.g. Kondo insulators or SU(N)-symmetric systems.
The experimental setup is based on a novel 2D-/3D-MOT scheme using a miniaturised atom source in a compact glass cell. A 2D-MOT on the broad 1S0-1P1 principal transition of ytterbium captures atoms directly from the atomic beam emitted by a dispenser and is used to load a 3D-MOT on the narrow intercombination transition 1S0-3P1. The 2D-/3D-MOT setup provides excellent optical access for future experiments in optical lattices. It is well suited for experiments on ultracold mixtures, because it allows magneto-optical cooling of rubidium atoms in the same setup. Efficient loading of an intercombination 3D-MOT requires active broadening of the laser spectrum and large intensities to enhance its capture velocity, but temperatures of about 20 μK are achieved by a final single-frequency cooling phase. Loading rates of up to 1.5x107 s-1 have been achieved for 174Yb. They demonstrate that the performance of the 3D-MOT is comparable to or even exceeds that of Zeeman slowers for ytterbium.
Quantum-degenerate gases are produced by all-optical means in a crossed dipole trap. A deep horizontal trap with a maximum trap depth equivalent to 0.6 mK is used for initial trapping and evaporative cooling of atoms transferred from a strongly compressed 3D-MOT. A second, vertical dipole trap creates additional confinement in the crossing region. During forced evaporation by lowering of the trap depth atoms are first concentrated into and subsequently cooled to quantum degeneracy within the crossed region. The generation of nearly pure BECs of 1x105 174Yb atoms and degenerate Fermi gases of typically 2x104 173Yb atoms at temperatures of T/TF = 0.15 is demonstrated, but temperatures as low as T/TF = 0.09 have been observed. Therefore, the experimental setup presented herein is very well suited for future experiments studying novel quantum phases of ultracold mixtures of ytterbium atoms in the ground state 1S0 and metastable state 3P0 in tuneable optical lattice potentials.
Finally, concepts for the application of ultraprecise Doppler- and recoil-free spectroscopy on the ultra narrow 1S0-3P0 clock transition in order to measure interaction and correlations in quantum gases, especially spin-spin correlations between the states 1S0 and 3P0 or adjacent lattice sites, are discussed.