Kühlen und Fangen von neutralen Hg-Atomen

Naturliches Quecksilber bietet eine Vielzahl moglicher Experimente auf dem Gebiet der kalten Atom- und Molekulphysik. Durch Photoassoziation erzeugte kalte Hg-Dimere lassen sich aufgrund der Struktur ihrer Potentialkurven in den Schwingungsgrundzustand pumpen. Hg-Dimere des Isotops 199Hg eignen sich zum Testen der Bell’schen Ungleichungen fur Atome, da sie im Grundzustand ideale Spin-1/2-Teilchen darstellen. Als schweres Dimer eignet sich Quecksilber ideal zur Suche nach einem permanenten elektrischen Diplomoment. Weiter bietet der 1S0-3P0-Ubergang mit einer Wellenlange von 265,6 nm und einer naturlichen Linienbreite von ca. 100 mHz als Uhrenubergang an. Eine optische Gitteruhr basierend auf neutralen Hg-Atomen konnte eine unerreichte systematische Ungenauigkeit im 10^-18-Bereich bieten. Der Vergleich verschiedener Zeitstandards eignet sich zur Untersuchung einer moglichen zeitlichen Variation der Feinstrukturkonstante. Kalte gefangene Hg-Atome in einer magneto-optischen Falle (MOT) stellen eine hervorragende Quelle fur eine Ionenfeinstrahlanlage dar. Die Isotopenselektivitat der MOT bietet die Moglichkeit zur Produktion reiner Hg-Isotope. Quecksilber bietet funf bosonische und zwei fermionische stabile Isotope. Die als Kuhlubergang eingesetzte Interkombinationslinie 1S0-3P1 bei 253,7 nm hat eine Sattigungsintensitat von 10,2 mW/cm2, mit einer naturlichen Linienbreite von 1,27 MHz. Da der Grundzustand keine Fein- oder Hyperfeinstruktur aufweist, ist der Ubergang geschlossen, so dass kein Ruckpumplaser benotigt wird. Die vergleichsweise lange Lebensdauer des Ubergangs fuhrt zu einer geringen Doppler-limitierten Temperatur von 30 uK. Diese Arbeit stellt die Entwicklung und den Aufbau einer MOT fur neutrale Hg-Atome vor. Zum Kuhlen und Fangen von Hg-Atomen war die Entwicklung eines bis heute nicht erhaltlichen Lasers notwendig. Die Anforderungen an diesen Laser sind aufgrund der relativ hohen Sattigungsintensitat und der geringen naturlichen Linienbreite und Wellenlange des Kuhlubergangs sehr hoch. Die entwickelte UV-Laserquelle basiert auf einem schmalbandigen, weitverstimmten single-mode und single-frequency Yb:YAG Scheibenlaser mit einer kontinuierlichen Ausgangsleistung von 5 W bei einer Wellenlange von 1014,9 nm. Durch zweifache externe Frequenzverdopplung wird eine bisher unerreichte Laserleistung von 280 mW bei 253,7 nm generiert. Als nichtlineares Medium werden ein LBO- und ein BBO-Kristall innerhalb zweier getrennter Uberhohungsresonatoren eingesetzt. Diese Resonatoren werden nach dem Hansch-Couillaud- bzw. Pound-Drever-Hall-Verfahren stabilisiert. Die Stabilisierung der Fundamentalen erfolgt mittels Sattigungsspektroskopie an einer Hg-Zelle. Dies ermoglicht die absolute Stabilisierung auf den atomaren Ubergang des zu fangenden Isotops mit Frequenzmodulationsspektroskopie. Mit diesem Laser und dem in dieser Arbeit beschriebenen experimentellen Aufbau wurden erste Experimente zum Kuhlen und Fangen von Hg-Atomen in einer 3D-MOT durchgefuhrt. Quecksilber stellt das bisher schwerste nichtradioaktive Element dar, das in einer MOT gefangen wurde. Bis heute gibt es weltweit nur zwei Arbeitsgruppen, die in der Lage sind, Quecksilber in einer MOT zu kuhlen und zu fangen. An der TU Darmstadt wurde unter Verwendung der beschriebenen Laserquelle (3,2+-0,3)x10^6 202Hg-Atome in die 3D-MOT geladen. Dies stellt die hochste bisher berichtete Anzahl gefangener Hg-Atome dar, die aus dem Hintergrundgas geladen wurden. Erstmals wurden die Dimension und die Dichte einer solchen Atomwolke bestimmt.