Scattering properties of ultra-cold chromium atoms

In this work a gas of ultra-cold chromium atoms in a magnetic trap has been prepared and its elastic and inelastic scattering properties have been investigated with regard to Bose-Einstein condensation. Bose-Einstein condensation of dilute atomic gases is achieved using different cooling and trapping techniques. Deviating from the standard way we were able to devise a continuous loading mechanism for a magnetic trap as a result of the spectroscopic properties and the large magnetic dipole moment of chromium. It not only allows us to trap more atoms but also facilitates the subsequent preparation steps. After loading, the magnetic trap is compressed to increase the atomic density. In doing so we also increases the temperature of the atomic cloud. Doppler cooling of the atoms in the compressed trap reduces the temperature and increases the density. Subsequent evaporative cooling further reduces the temperature. The efficiency of the cooling mechanism is determined by the elastic and inelastic scattering properties of atomic species. Ultra-cold collisions between ground state atoms are dominated by s-wave collisions. They are characterized by a single parameter, the scattering length a. We were able to determine the temperature dependence of the elastic collision rate for the two bosonic isotopes 52Cr and 50Cr in a relaxation experiment. Comparing our results with the effective range theory allowed us not only to extract the magnitude of the scattering length, but also its sign. The sign of the scattering length is important since only condensates with a positive scattering length are stable. Our efforts to achieve Bose-Einstein condensation in chromium by evaporative cooling in a magnetic trap resulted in a maximum phase space density of 0.04. Further cooling reduced the phase space density due to increased loss of atoms from dipolar relaxation. We were able to obtain preliminary results on the magnetic field dependence of dipolar relaxation. Our experimental data is in excellent agreement with theory. These experiments confirm the theoretical prediction that the dipolar relaxation rate is independent from the details of the interaction potential but rather scales with the magnetic offset field and the magnetic dipole moment of the atoms. The findings of this work mark an important step towards the realization of a Bose-Einstein condensate with chromium atoms. Especially the knowledge of the elastic and inelastic scattering properties allow now to devise a successful strategy. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Gas ultrakalter Chromatome in einer Magnetfalle prapariert und dessen elastische und inelastische Streueigenschaften im Hinblick auf eine Bose-Einstein-Kondensation untersucht. Bose-Einstein-Kondensate verdunnter atomarer Gase werden unter Einsatz verschiedener Kuhlmechanismen erzeugt. Abweichend vom ublichen Weg konnten wir aufgrund der speziellen spektroskopischen Eigenschaften und dem hohen magnetischen Moment von Chrom einen kontinuierlichen Lademechanismus fur eine Magnetfalle entwickeln. Dieser erlaubt es uns nicht nur mehr Atome zu fangen, sondern vereinfacht zudem die nachfolgenden Praparationsschritte wesentlich. Nach dem Laden wird die Magnetfalle komprimiert um die Dichte der Atome zu erhohen. Dabei steigt jedoch ebenso die Temperatur. Durch Dopplerkuhlen der Atome in der komprimierten Falle wurde die Temperatur reduziert und damit einhergehend die Dichte gesteigert. Eine weitere Verringerung der Temperatur wurde durch evaporatives Kuhlen erreicht. Die Effizienz dieses Kuhlmechanismusses hangt wesentlich von den elastischen und inelastischen Streueigenschaften des verwendeten Atoms ab. Ultrakalte Kollisionen von Grundzustandsatomen werden durch s-Wellen Stose dominiert. Diese sind durch einen einzigen Parameter, der Streulange a, charakterisiert. Wir konnten die Temperaturabhangigkeit der elastische Kollisionsrate der beiden Chromisotope 52Cr und 50Cr in einem Relaxationsexperiment bestimmen. Der Vergleich mit einer Theorie, die die effektive Reichweite des Potentials beinhaltet, erlaubte es uns nicht nur den Absolutbetrag der Streulange, sondern auch ihr Vorzeichen zu ermitteln. Das Vorzeichen der Streulange spielt hierbei eine wichtige Rolle, da Kondensate nur bei positiver Streulange stabil sind. Unsere Bemuhungen ein Bose-Einstein-Kondensat mit Chromatomen durch evaporatives Kuhlen in der Magnetfalle zu erreichen, resultierten in einer maximalen Phasenraumdichte von 0.04. Weiteres Kuhlen reduzierte die Phasenraumdichte aufgrund eines erhohten Verlusts an Atomen durch dipolare Relaxation. Wir konnten vorlaufige Ergebnisse zur Magnetfeldabhangigkeit der dipolaren Relaxationsrate erzielen. Unsere experimentellen Daten sind in ausgezeichneter Ubereinstimmung mit der Theorie. Mit unseren Experimenten konnten wir die Vorhersagen der Theorie bestatigen, dass die dipolare Relaxationsrate unabhangig von den Details des Wechselwirkungspotentials ist, jedoch mit dem magnetischen Offset-Feld und dem Dipolmoment der Atome skaliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einem Bose-Einstein-Kondensat von Chromatomen dar. Speziell die Kenntnis der elastischen und inelastischen Stoseigenschaften im Grundzustand erlauben es nun eine erfolgreiche Strategie zu entwickeln.