Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1453
Main Title: Untersuchungen zur Speicherung von neutralen Atomen in elektrischen Feldern
Translated Title: Investigations in trapping of neutral atoms in electric fields
Author(s): Jung, Robert
Advisor(s): Oppen, Gebhard von
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Diese Arbeit hat zum Ziel, auf der Grundlage ausführlicher Simulationsrechnungen eine zweidimensionale Falle für neutrale Atome basierend auf elektrischen Wechselfeldern aufzubauen und das Fallenprinzip an kalten metastabilen Heliumatomen bzw. Rubidiumatomen zu demonstrieren. Mit dieser Art von Atomfallen ist geplant, gezielt Stöße ultrakalter neutraler Atome zu untersuchen. Diese sollten unabhängig von äußeren Feldern vor dem Stoß präpariert werden können, um Stoßquerschnitte in Abhängigkeit von der Spinausrichtung der Atome bestimmen zu können. Das eigentliche Element, an dem diese Untersuchungen durchgeführt werden sollen, ist das metastabile Heliumatom. Der Einfluß der elektrischen Felder auf neutrale Atome wird allerdings zu Testzwecken des Fallenaufbaus und der eingesetzten Hochspannungsschalter in Experimenten am Element Rubidium durchgeführt. Die experimentellen Voraussetzungen für die Speicherung neutraler Atome in elektrischen Feldern, das Bereitstellen ausreichend kalter Teilchenensemble, ist durch den Aufbau und Betrieb von magneto-optischen Fallen für metastabiles Helium und Rubidium gegeben. Die in der Arbeit vorgestellte elektrische Falle wird zuerst theoretisch behandelt. Die Bewegungsgleichungen für neutrale Atome in elektrischen Wechselfeldern werden aufgestellt, woraus sich Aussagen über die Stabilitätsbereiche ableiten lassen. Ebenso kann ein Ausdruck für die Fallentiefe hergeleitet werden. Die maximalen Fallentiefen ergeben sich für He* zu 32MHz bei einer Spannung von +/-15kV und einer Frequenz von 1100Hz und für Rubidium zu 12MHz bei U=+/-9kV und f=150Hz. Anschließende numerische Simulationen zur Speicherung eines kalten Rubidiumensembles zeigen auf, unter welchen Bedingungen eine effiziente Speicherung möglich ist. Als Ergebnis ist festzuhalten, daß bei Spannungen von U_0=+/-9000V bei einer Fallenfrequenz von f=200-250Hz ein Anteil von mehr als 7% der in der MOT gespeicherten Rubidiumatome in die elektrische Falle übertragen werden könnte. Die dabei erreichbaren Fallentiefen betragen 32 - 45µK. Der Einfluß der Gravitation kann durch eine konstante zusätzliche Spannung U_add, die an die oberen Elektroden angelegt wird, ausgeglichen werden. Die für die Realisierung der elektrischen Falle konzipierten Hochspannungsschalter und die eingesetzte Elektrodenstruktur werden detailliert beschrieben. Erste Hinweise auf das zweidimensionale Speichern von Rubidium in elektrischen Wechselfeldern liefern Messungen, die dokumentieren, daß durch den Betrieb der elektrischen Falle über einen Zeitraum von 16ms deutlich mehr Atome nachzuweisen sind, als die freie Expansion der Atomwolke zeigt. Aus den Daten geht hervor, daß mit der elektrischen Falle noch rund 15% der nach 2ms nachgewiesenen Atome vorhanden sind, während nach der selben Zeit, aber mit statischen elektrischen Feldern nur noch rund 5% nachzuweisen sind. Als Fallenparameter dienen dabei die aus den Simulationsrechnungen hervorgehenden Werte für die Spannungen - U_0=+/-9kV, U_add=+800V an den oberen beiden Fallenstäben zum Gravitationsausgleich - bei einer Frequenz von f=250Hz. Das Meßergebnis wird schließlich im Vergleich zu Simulationsergebnissen betrachtet und etwaige Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert. Als Anwendungsmöglichkeit des hier präsentierten Fallenprinzips wird das Konzept eines Speicherrings für neutrale Atome zur Untersuchung ultrakalter Stöße vorgestellt.
The intention of this thesis is to realize a two-dimensional trap for neutral atoms driven by alternating electric fields based on detailed simulations. Furthermore it is to demonstrate the trap principle on cold metastable helium (He*) and rubidium (Rb) respectively. With this type of trap it is planned to analyse ultracold collisions of neutral atoms systematically. The atoms should be prepared independently of external fields in order to measure the cross section in subject to the spin alignment. The main element, at which these investigations should proceed, is the He* atom. But for testing the used high-voltage switches and the setup of the electric trap the influence of the electric field on neutral atoms is studied on Rb atoms. The experimental requirements for trapping neutral atoms in electric fields, i.e. the preparation of sufficient cold ensembles of atoms, have been given by running magneto-optical traps for He* and Rb. First, the electric trap is discussed theoretically. The equations of motion for neutral atoms moving in alternating electric fields have been set up and so the range of stability can be specified. Also an expression for the trapdepth can be derived. The maximum trapdepth for He* would be 32 MHz at applied voltages of U = +/-15kV and frequencies of f = 1100Hz and for Rb 12MHz at U = +/- 9kV and f = 150Hz. The following numerical simulations for trapping an ensemble of rubidium atoms point to conditions for efficient trapping. The yielding result shows, that a fraction of more than 7% of Rb atoms trapped in the MOT can be transfered in the electric trap at applied voltages of +/-9kV and frequencies of 200-250Hz. Thereby, the obtainable trapdepths constitute to 32-45 K. The influence of gravity can be leveled by applying an additional constant voltage U_add on the upper electrodes. Furthermore the designed high-voltage switches and the construction of the used electrode-structure are described in detail. Measurements, showing that over a period of 16ms obviously more atoms can be detected during the operation of the electric trap than in case of free expansion of the atoms, give first evidences of two-dimensional trapping of rubidium in alternating electric fields. Due to these data in the case of electric trapping there are around 15% of the atoms, which are detected after 2ms, however without the electric trap and after the same time only 5% of these atoms can be detected. The parameters of the trap extracting from the simulations are for the applied voltages U=+/- 9kV and U_add=+800V for elimination of the gravitational effect and for the frequency f=250Hz. Finally the measurements are being considered in comparison to results of simulations and possible improvements should be discussed. Based on the presented principle of a trap for neutral atoms, it is introduced the concept of a storage ring in order to investigate ultracold collisions.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14078
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1750
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1453
Exam Date: 11-Oct-2006
Issue Date: 2-Nov-2006
Date Available: 2-Nov-2006
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Elektro-dynamische Falle
Hochspannungsschalter
Laserkühlung
Neutrale Atome
Speicherung
Electro-dynamical trap
High voltage switch
Laser cooling
Neutral atoms
Trapping
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