Ein wichtiger Bestandteil meiner Promotionsarbeit war die Konzeption und der Aufbau einer neuartigen Apparatur, die es ermöglicht Gemische aus Quantengasen zu erzeugen. Die Tauglichkeit der Apparatur konnte mit der Erzeugung eines Rb-Bose-Einstein-Kondensates(BEC) und der Herstellung ultrakalter Yb-Ensembles demonstriert werden. Als weiterer Schwerpunkt wurden speziell die Eigenschaften des Yb beim Kühlen und Fangen untersucht, um Erkenntnisse für die weitere Vorgehensweise bei der Erzeugung eines gemischten Quantengases festzulegen. Hierbei wurden erstmals Sub-Doppler-Temperaturen in einer magneto-optischen Falle(MOT) mit fermionischem Yb beobachtet, sowie erstmals die Lebensdauer eines metastabilen Zustands gemessen.

Die wesentlichsten Bestandteile der Apparatur sind eine speziell konstruierte Vakuumkammer, eine Reihe von Lasersystemen, komplexe optische Aufbauten, sowie ein komplexes System aus Elektromagneten. Damit ist es möglich, zwei Atomsorten unabhängig voneinander zu fangen und zu kühlen. Hierzu wurden MOTs sowie eine Magnetfalle(MT) und eine bichromatische optische Dipolfalle(ODT) konzipiert, und bis auf die ODT auch im Experiment eingesetzt, womit die unabhängige Kontrolle und Manipulierbarkeit beider Spezies möglich ist.

Die Rb-Atome wurden aus einer MOT mit >10^9 Atomen im F=2,m_F=2-Zustand mit einer Temperatur von einigen 100 mu K in die MT geladen, wo durch radiofrequenzinduzierte Verdampfungskühlung bis zu Temperaturen von einigen 100 nK ein BEC mit bis zu 6 * 10^6 Atomen erzeugt wurde. Aus Lebensdauermessungen des magnetisch gespeicherten BECs konnte der Koeffizient für Dreikörperverluste zu 1,3 * 10^{-29} cm^6/s bestimmt werden, was mit theoretischen Vorhersagen und anderen experimentellen Befunden übereinstimmt. Da keine technischen Limitationen der Lebensdauer beobachtet wurden, erfüllt die im Rahmen dieser Doktorarbeit konzipierte und erstellte Apparatur hinsichtlich der Erzeugung eines Rb-BECs alle erforderlichen Voraussetzungen.

Im zweiten Abschnitt meiner Promotion wurden speziell die Eigenschaften von Yb untersucht. Es wurden alle sieben stabilen Yb-Isotope mit Atomzahlen von bis zu 2 * 10^7 in eine MOT auf dem 1S_0 -> 1P_1-Übergang geladen. Hierbei wurden erstmals bei fermionischen Yb-Isotopen durch Polarisationsgradientenkühlung in einer MOT Temperaturen weit unter dem Dopplerlimit von 672 mu K erreicht und die Abhängigkeit von experimentellen Parametern untersucht. Die minimal erreichten Temperaturen lagen bei 10 mu K und 80 mu K für {173}Yb bzw. {171}Yb. Dieses für den weiteren Fortgang des Experiments sehr wichtige Ergebnis ermöglicht für die fermionischen Yb-Isotope im Gegensatz zu den Bosonen, bei denen keine Sub-Dopplerkühlung möglich ist, ein vereinfachtes Kühlverfahren.

Um die Möglichkeiten und Limitationen des simultanen Einschlusses beider Spezies in dieser Apparatur zu untersuchen, wurde eine gemischte MOT aus Rb- und Yb-Atomen erzeugt. Die hierbei beobachteten verminderten Atomzahlen im Vergleich zu den einzelnen MOTs führen dazu, dass für die Erzeugung eines gemischten Quantengases ein alternatives Ladeschema erforderlich ist, das nicht auf einer gemischten MOT basiert. Ein solches Ladeschema wurde aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit konzipiert und soll im weiteren Verlauf des Projekts umgesetzt werden.

Ein möglicher Weg zu einem gemischten Quantengas führt über das zwischenzeitliche magnetische Speichern von Yb im metastabilen ^3P_2-Zustand, der im Gegensatz zum nicht magnetisch fangbaren diamagnetischen Grundzustand des Yb ein magnetisches Moment von mu = 3 \mu_B besitzt und damit in einer MT gespeichert werden kann. Über einen natürlichen Zerfallskanal fallen die Yb-Atome aus dem MOT-Zyklus in den metastabilen ^3P_2-Zustand wodurch eine durch das MOT-Magnetfeld gebildete MT kontinuierlich geladen wird. Hierbei war es möglich bis zu 4 * 10^5 Atome zu fangen. Untersuchungen der Magnetfalle ergaben für das bosonische ^{174}Yb Lebensdauern von bis zu 13,7 s und für das fermionische ^{173}Yb Lebensdauern von bis zu 11 s, die in beiden Fällen atomzahlabhängig waren. Die längsten Lebensdauern sind dabei in guter Übereinstimmung mit der bisher nur theoretisch berechneten natürlichen Lebensdauer von 14,5 s für ^{174}Yb. Die beobachtete Abhängigkeit von der Atomzahl bei ^{174}Yb konnte auf dichteabhängige Verluste zurückgeführt werden, wobei die Verlustrate zu (1,4 +/- 1,0) * 10^{-10}cm^3/s bestimmt wurde. Aufgrund der komplizierten Niveaustruktur von ^{173}Yb war eine Bestimmung hier nicht möglich. Die Bestimmung dieser Verlustkonstanten war essentiell für den weiteren Fortgang des Experiments, da sie eine direkte Herbeiführung der Quantenentartung im metastabilen Zustand ausschließt, aber weiterhin die Möglichkeit zur zwischenzeitlichen Speicherung in diesem Zustand offen läßt. Die gemessenen Lebensdauern geben erstmalig experimentell ermittelte Grenzwerte für die Lebensdauer des metastabilen Triplettzustands von Yb an.