WO2022003111A1 - Magnetooptische falle mit sich partiell kompensierenden magnetfeldern, insbesondere als kontinuierliche kaltatomquelle - Google Patents

Magnetooptische falle mit sich partiell kompensierenden magnetfeldern, insbesondere als kontinuierliche kaltatomquelle Download PDF

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WO2022003111A1
WO2022003111A1 PCT/EP2021/068199 EP2021068199W WO2022003111A1 WO 2022003111 A1 WO2022003111 A1 WO 2022003111A1 EP 2021068199 W EP2021068199 W EP 2021068199W WO 2022003111 A1 WO2022003111 A1 WO 2022003111A1
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WO
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laser beam
magneto
ring magnet
optical trap
magnetic field
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/068199
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English (en)
French (fr)
Inventor
József Fortágh
Florian JESSEN
Lörinc SÁRKÁNY
Original Assignee
Eberhard Karls Universität Tübingen
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Filing date
Publication date
Application filed by Eberhard Karls Universität Tübingen filed Critical Eberhard Karls Universität Tübingen
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/006—Manipulation of neutral particles by using radiation pressure, e.g. optical levitation

Definitions

  • the invention relates to a magneto-optical trap.
  • Magneto-optical traps are used, for example, to provide very cold atoms for an atomic clock, an interferometric measurement or for quantum computers.
  • both neutral atoms and ions can be captured and cooled to very cold temperatures just above absolute zero. In this state they can be used for sampling, for example to provide a time reference for an atomic clock.
  • Magneto-optic traps typically use the principle of laser cooling, for example using several pairs of opposing laser beams which intersect at a central point. Cooling is possible along each laser beam, since the wavelength of each laser beam is typically slightly detuned to a higher wavelength compared to a transition occurring in the atom to be cooled.
  • An atom moving against the direction of propagation of a laser beam has a slightly changed wavelength of the laser beam due to the Doppler effect, which enables photon absorption and the atom is thus slowed down by the pulse of absorbed photons.
  • the Doppler effect no longer comes into play when the atom is at rest and therefore no more photons are absorbed.
  • Atoms here are typically understood to mean both neutral atoms and ions. It is also possible to use an atom trap for molecules. In order to capture atoms in the best possible way, a magnetic field is typically applied in the area in which the atoms are to come to rest. In known designs, an anti-Helmholtz coil pair is typically used for this, which generates a suitable magnetic field.
  • Advantageous refinements can be found in the subclaims, for example. The content of the claims is made part of the description by express reference.
  • the invention relates to a magneto-optical trap.
  • the magneto-optical trap has in particular a vacuum chamber, a laser cooling device and a magnetic field generating device.
  • the laser cooling device has in particular at least one central laser beam generating arrangement and at least one clad laser beam generating arrangement. Every
  • Center laser beam generating arrangement is designed in particular to generate a first center laser beam and a second center laser beam, which run in an anti-parallel, overlapping manner and contain the central point.
  • Each clad laser beam generating arrangement is designed in particular to generate a first clad laser beam and a second clad laser beam, which run in an anti-parallel, overlapping manner.
  • the magnetic field generating device has in particular a first ring magnet, a second ring magnet, a third ring magnet and a fourth ring magnet.
  • Cross-sections of the ring magnets are in particular aligned and / or arranged transversely to an axis which runs through the central point.
  • the first ring magnet and the fourth ring magnet form, in particular, a first pair of ring magnets for generating an output magnetic field in the vacuum chamber.
  • the second ring magnet and the third ring magnet form, in particular, a second pair of ring magnets for generating a compensation magnetic field which at least partially compensates for the output magnetic field in the vacuum chamber.
  • the magneto-optical trap according to the invention has been found to be an improvement over known magneto-optical traps, in particular because the second pair of ring magnets enables a much more suitable structuring of the magnetic field.
  • the second pair of ring magnets which is not present in known designs, enables a much better adaptation of the in the Vacuum chamber allows the existing magnetic field to meet the requirements, which allow the best possible laser cooling and significantly improve the capture and cooling of atoms, in particular at the central point or in the vicinity of the central point. This applies in particular to the gradient of the magnetic field.
  • the magneto-optical trap can in particular be used to trap, slow down and cool neutral atoms or ions.
  • it can be used for strontium or ytterbium, which are suitable for typical applications such as an atomic clock.
  • it can also be used accordingly for other types of neutral atoms, ions or molecules.
  • the magneto-optical trap can in particular be a magneto-optical atom trap, ion trap and / or molecule trap. It can be used in particular for atoms, ions and / or molecules. It can be designed or used, for example, as a continuous cold atom source.
  • the vacuum chamber can in particular be an enclosed space in which a defined vacuum is generated by one or more vacuum pumps such as a turbo molecular pump, an ion getter pump or a titanium sublimation pump.
  • the vacuum chamber can, for example, have an envelope. This can be made of steel, for example.
  • the envelope can in particular have a number of viewing windows, as will be described in more detail below.
  • the central point is, in particular, a point within the vacuum chamber which is to be defined purely virtually and which does not have to adhere to an object or be recognizable as such by a viewer in any other way.
  • the center laser beams used can intersect at the central point.
  • Such a cutting of center laser beams typically also takes place in a certain spatial area.
  • the central point here is especially considered an infinitesimal Understood small point within the vacuum chamber, which serves as an aid for defining the geometric relationships and can be arranged, for example, in the aforementioned spatial area.
  • the laser cooling device is used in particular to cool down atoms.
  • the center laser beams and the clad laser beams can in particular have different wavelengths, with all center laser beams typically having the same wavelength and / or all clad laser beams having the same wavelength. This allows cooling effects to be combined at different wavelengths.
  • the cladding laser beams can be used to address a transition in an atom which has a high level of energy uncertainty and is therefore particularly suitable for capturing and partially cooling atoms.
  • the use of strontium can be the transition from level 5s 1 So to level 5p 1 Pi, which can be addressed with a wavelength of 461 nm. Due to the Heisenberg uncertainty principle, such states typically only have a short lifetime.
  • the center laser beams can in particular address a transition which has a lower energy uncertainty and is therefore suitable for even further cooling of the atoms that have already been trapped and braked.
  • a transition which has a lower energy uncertainty and is therefore suitable for even further cooling of the atoms that have already been trapped and braked.
  • strontium it can be the transition from level 5s 1 So to level 5p 3 Pi, which can be addressed with a wavelength of 689 nm. This has a significantly longer service life than the transition mentioned above.
  • each laser beam generation arrangement can have two separate lasers, which generate the two respective laser beams and in particular mutually into the Introduce vacuum chamber.
  • a laser beam can be generated which is introduced into the vacuum chamber at several points, for example at two points.
  • mirrors can be used to reflect a respective first laser beam and thereby generate the second laser beam.
  • An antiparallel overlapping course can in particular be understood to mean that the two laser beams, in particular the first central laser beam and the second central laser beam of a central laser beam generation arrangement or the first coated laser beam and the second coated laser beam of a coated laser beam generation arrangement, are parallel to one another with regard to their alignment, but run in opposite directions and in particular overlap.
  • the overlapping can be carried out completely, so that no difference can be determined between the two laser beams in the cross section. However, the overlapping can also be carried out only partially, so that there are areas in the cross section which are only occupied by a laser beam.
  • the central laser beams contain the central point, which can mean in particular that the central point lies at a point within the cross section of the respective central laser beam.
  • all center laser beams typically intersect at the central point and a certain spatial area is formed around the central point in which the center laser beams intersect, in particular in the event that there is more than one center laser beam generating arrangement.
  • the clad laser beams can in particular be aligned in such a way that an area enclosed in cross section by the respective clad laser beam contains the central point or the cross section itself contains the central point.
  • the clad laser beam generating arrangements can be arranged accordingly.
  • the center laser beams are typically embodied as laser beams that are round in cross section or at least approximately round
  • the clad laser beams can in particular be embodied in the form of a ring or in a similar manner to enclose a recessed area.
  • they can also be circular or at least approximately circular, whereby it has been found that, depending on the atoms used, a design with a recessed area, for example a ring-shaped design, is advantageous, since an excitation of atoms in the short-lived transition and thus an uncontrolled generation of a pulse on the Atom can thereby be prevented.
  • such a measure can be dispensed with if sufficient cooling is still possible.
  • clad laser beams Due to the design chosen in many cases with a recessed area, which can enclose a central laser beam, for example, the clad laser beams are referred to as clad laser beams, without this representing a prejudice for the exact execution, in particular with regard to the cross section or the generation.
  • the axis mentioned is in particular an axis which runs through the central point and here also serves to define the geometric relationships. It is typically not visible as such, but rather can be derived from the geometric relationships of a magneto-optical trap.
  • the position of the cross-sections of the ring magnets transversely to the axis can in particular mean that the respective cross-sections assume exactly or at least approximately an angle of 90 ° to the axis. This is to be understood here in principle by the term “transversely”, ie either an angle of 90 ° can be assumed or a slight deviation of, for example, ⁇ 1 °, ⁇ 2 °, ⁇ 5 ° or ⁇ 10 ° can be permitted, whichever for example based on technical conditions or manufacturing tolerances.
  • a cross section of a ring magnet is arranged transversely to the axis can in particular also be understood to mean that the axis represents a normal to the cross section of the ring magnet.
  • a cross section of the ring magnet is typically transverse to a magnet axis of the ring magnet, it being possible for the magnet axis to be identical to the axis, for example.
  • the magnet axis can in particular be the coil axis.
  • the cross section of a ring magnet can be determined, for example, at an axial end of the ring magnet or also in an axial center point or at another axial point of the ring magnet. It is easily and clearly recognizable in typical designs of ring magnets.
  • the cross section of a ring magnet is typically an area enclosed by the respective ring. This area in particular goes through the Axis through.
  • This cross-section of a ring magnet should therefore not be confused with a cross-sectional shape that can be seen in a plane that is parallel to the axis and contains the axis.
  • Such a cross-sectional shape can for example be circular, whereby the ring magnet becomes a ring according to the mathematical definition.
  • the cross-sectional shape can also be designed differently, for example oval, elliptical, rectangular, square or with a similar shape.
  • the ring magnets can in particular be designed so that they can be handled independently of one another. This applies in particular to a state before the trap was assembled or after it was removed from the trap. In particular, they can be designed in such a way that they can each be removed from the trap without being destroyed.
  • the position of the cross-sections of the ring magnets transversely to the axis ensures that the two magnetic fields generated have parallel or, in particular, identical axes of symmetry.
  • This can also be viewed as an independent feature, i.e. the output magnetic field and / or the compensation magnetic field can in particular each be axially symmetric, and the magnetic field resulting from both can also be axially symmetric.
  • the output magnetic field is typically that which would only arise if a single pair of ring magnets were used, that is to say, for example, in the case of designs known from the prior art which use only one pair of ring magnets.
  • a significantly better structuring of the magnetic field is made possible, which in the experiments carried out by the inventors has proven to be an improvement, particularly with regard to the trapping and cooling of atoms.
  • the atoms can be cooled even better, in particular even further, when the magnetic field resulting from the initial magnetic field and the compensation magnetic field acts in the vacuum chamber.
  • the central point does not necessarily have to represent the center of the vacuum chamber, but can be arranged at any point within the vacuum chamber. However, it can also be arranged in the middle. In typical designs, it can be determined on the basis of the geometric relationships of the components used, or at least one area can be determined in which the central point can lie. It therefore does not have to be clearly determinable during execution. It is sufficient if a central point can be determined which defines the geometry as described.
  • a magnetic field resulting from the initial magnetic field and the compensation magnetic field in a plane transverse to the axis, the central point preferably being located in the plane has a gradient from a first value range in a first area up to a first radius and has in a second range between a second radius and a third radius, a gradient from a second range of values.
  • the first radius can in particular be smaller than the second radius, and the second radius can in particular be smaller than the third radius.
  • the first range of values and the second range of values can in particular be designed in such a way that they do not overlap.
  • gradients can be used at the respective locations, which ideally support the laser cooling for the respective location and in particular the laser beams that are predominant there.
  • the excitation of an atom in certain levels by the laser beams can thereby be supported in an advantageous manner.
  • a return effect of the magnetic field on atoms which acts on atoms that are too far away from the central point and brings them back in the direction of the central point, can be achieved in a particularly advantageous manner by the embodiment just described.
  • the scattering of as many photons as possible (cyclical excitation & emission) per unit of time is particularly advantageous.
  • large magnetic fields are preferably applied, in particular with more than 0.1 Gauss, more than 1 Gauss or more than 5 Gauss, depending on the location, so that a high Doppler shift of the fast atoms can be compensated .
  • high gradients are typically used, for example as described herein.
  • a wavelength is used which addresses the lowest of the Zeeman levels split by the magnetic field. This allows an advantageous return effect on the atoms, ions or molecules.
  • the resulting magnetic field can be understood, for example, as a vector addition from the output magnetic field and the compensation magnetic field.
  • the plane transverse to the axis can in particular be parallel to the cross sections of the ring magnets. In other planes, a structure of the magnetic field that differs somewhat, but also at least roughly corresponds to the course described, can develop.
  • a gradient is a change in the magnetic field with location.
  • G / cm Gauss per centimeter
  • T / m Tesla per meter
  • first radius is smaller than the second radius, this means in particular that there is a transition area between the first radius and the second radius, in which the gradient is located between the two value ranges. For example, it can increase in this transition range in order to get from the first value range to the second value range.
  • the first range of values can in particular include values between 4.5 G / cm and 5.5 G / cm.
  • the second range of values can in particular include values between 6 G / cm and 60 G / cm. Such values have proven particularly useful when using strontium or ytterbium.
  • the value ranges can also be defined differently, for example the first value range can also have a lower limit of 1 G / cm, 2 G / cm, 3 G / cm or 4 G / cm and / or an upper limit of 6 G / cm, 7 g / cm or 10 g / cm.
  • the second value range can also, for example, have a lower limit of 7 G / cm, 10 G / cm or 15 G / cm and / or a have an upper limit of 50 G / cm, 70 G / cm or 100 G / cm. In particular for other atoms, other value ranges can also be used.
  • the values of the second range of values are typically greater than the values of the first range of values, in particular with regard to their absolute value.
  • the first radius can in particular correspond to a laser beam radius of at least one central laser beam.
  • the laser beam radius is in particular a radius which the laser beam has in cross section, provided it is round or at least approximately round. Such a radius can typically easily be read off in cross section.
  • the center laser beams have the same laser beam radii, but that different laser beam radii of the center laser beams can also be used and, for example, an implementation can be provided for this case in which the first radius corresponds to at least one of these laser beam radii. It is also possible for the first radius to correspond to several laser beam radii of central laser beams.
  • the second radius can in particular correspond to an inner laser beam radius of at least one clad laser beam.
  • the third radius can in particular correspond to an outer laser beam radius of at least one clad laser beam.
  • the inner laser beam radius can in particular be a radius of a region cut out by the respective clad laser beam in cross section and / or it can be an inner radius of a ring which the clad laser beam assumes in cross section.
  • the outer laser beam radius can be an outer radius of a ring which the clad laser beam occupies in cross section.
  • the inner laser beam radius of the clad laser beam can be zero, for example.
  • the inner laser beam radius can be set as the laser beam radius of an included center laser beam to define the radii of the value ranges.
  • a predetermined distance can also be present between the second radius and the first radius.
  • the inner laser beam radius can also be defined by means of a threshold value of the intensity. For example, that radius can be used as the inner laser beam radius at which the intensity reaches the threshold value. This definition can also be applied elsewhere, for example when determining whether a clad laser beam surrounds a center laser beam.
  • the gradient of the resulting magnetic field between the second radius and the third radius in the plane increases with increasing distance from the central point. This has proven to be particularly advantageous for the desired effect of the magnetic field in relation to the desired laser cooling.
  • the clad laser beams are exclusively surrounding the central laser beam. If a clad laser beam and a center laser beam are aligned parallel to one another, this can mean, for example, that the clad laser beam surrounds the center laser beam.
  • the central laser beam can have a circular cross-section and the clad laser beam can have an annular cross-section, which in particular can be spaced apart from the circular cross-section of the central laser beam.
  • center laser beam and clad laser beam are not parallel to one another, they typically nevertheless show the behavior just described in the described plane in which the central point lies and which lies transversely to the center laser beam. This is the case even when the center laser beam and the clad laser beam assume an angle of, for example, 45 °, 90 °, 180 ° or any other angle to one another, which also applies regardless of the spatial direction.
  • the described structure of the cross section results in particularly effective cooling achieved by atoms, ions or molecules, since the atoms, in particular, can be captured by the clad laser beam and cooled to a certain extent, whereas they can be cooled even further by the central laser beam.
  • the structure described in cross section in particular ensures that the effects of central laser beams and clad laser beams do not influence one another, or at least do not influence one another more than is absolutely necessary or unavoidable.
  • a magnetic field resulting from the output magnetic field and the compensation magnetic field, at least within the ring magnet pairs can be a quadrupole field.
  • a quadrupole field can in particular be characterized in that with a multipole development of the magnetic field, only a second term does not vanish, or it has at least the predominant part of the total magnetic field, for example with a proportion of more than 50%, more than 70%, more than 80%, more than 90% or more than 95%.
  • Such a quadrupole field has proven to be particularly advantageous for the present case, since it ensures cooling and the trapping of atoms better than a magnetic field which is generated by only one pair of anti-Helmholtz coils.
  • the characteristic of a quadrupole field can apply in particular locally and / or within the ring magnet pairs and / or within a carrier of the ring magnets and / or in the immediate vicinity of the central point, for example in an area of 1 cm, 2 cm or 5 cm.
  • a different characteristic of the magnetic field can also be present outside of the ring magnet pairs.
  • An area within a pair of ring magnets can in particular be understood to mean an area which lies between the two ring magnets of the pair of ring magnets.
  • a complete formation of the magnetic field as a quadrupole field can also be used.
  • one, some or all of the ring magnets can be designed as an electrical coil.
  • one, some or all of the ring magnets can be designed as ring-shaped permanent magnets.
  • all ring magnets are designed in the same way, that is to say either as a coil or as a permanent magnet.
  • the ring magnets of each ring magnet pair can be designed identically.
  • the ring magnets of the first ring magnet pair can be designed as coils and the ring magnets of the second ring magnet pair can be designed as permanent magnets, or vice versa.
  • the ring magnets and / or the ring magnet pairs can each generate a spatially variable or strongly spatially variable magnetic field. This can in particular within the respective ring magnet pairs, at least within the largest part within the ring magnet pairs, have a greater or significantly greater field strength than half a Gauss or a Gauss. In particular, it can have a gradient which has a gradient of more than 5 G / cm at least in a part or the predominant area within a ring magnet pair or within the ring magnet pairs. The ring magnets and / or ring magnet pairs thus do not serve to compensate for the earth's magnetic field, but rather to spatially structure the resulting magnetic field.
  • the laser cooling device can in particular be configured to continuously generate the center laser beams and the clad laser beams simultaneously. This enables a simpler procedure than in the case of embodiments according to the prior art, in which the center laser beam and clad laser beam, typically with different wavelengths, are used one after the other.
  • the magneto-optical trap described here makes it possible to use center laser beams and clad laser beams at the same time and thus to bring about a simpler and even more effective cooling of atoms. This can in particular take place continuously.
  • the first ring magnet and the fourth ring magnet are equidistant from the central point.
  • the second ring magnet and the third ring magnet are equidistant from the central point.
  • An equally large spacing can be understood to mean, in particular, the equally large spacing of certain points of the ring magnets, for example at one axial end. Slight variations, which result, for example, from manufacturing tolerances or unavoidable geometric restrictions, are irrelevant.
  • the second ring magnet can be closer to the central point than the first ring magnet.
  • the third ring magnet in particular can be closer to the central point than the fourth ring magnet.
  • the first pair of ring magnets can in particular form an anti-Helmholtz coil pair and / or generate a magnetic field corresponding to an anti-Helmholtz coil pair.
  • the second pair of ring magnets in particular can form an anti-Helmholtz coil pair and / or generate a magnetic field corresponding to an anti-Helmholtz coil pair.
  • Magnetic fields generated in this way have proven to be particularly advantageous for the magneto-optical trap described herein. This can be achieved in particular by using a current supply in the case of ring magnets designed as coils, in which the coils of a respective coil pair are supplied with current in the opposite direction (anti-Helmholtz configuration).
  • the permanent magnets can be magnetized accordingly, so that they generate a magnetic field corresponding to an anti-Helmholtz coil pair.
  • the output magnetic field, the compensation magnetic field and / or the magnetic field resulting therefrom can disappear in a respective center, for example the central point.
  • the output magnetic field, the compensation magnetic field and / or the magnetic field resulting therefrom can increase from the center along the axis, in particular increase linearly.
  • the output magnetic field, the compensation magnetic field and / or the magnetic field resulting therefrom can be gradient fields.
  • a zero crossing of the magnetic field generated by the first pair of ring magnets can lie in the central point.
  • a Zero crossing of the magnetic field generated by the second pair of ring magnets lie in the central point.
  • a zero crossing of a magnetic field resulting from the output magnetic field and the compensation magnetic field can lie in the central point.
  • the position of such zero crossings in the central point means in particular that the respective zero crossing is at a point at which the cooling effect of the laser beams typically takes place in the best possible way.
  • a zero crossing can, for example, be a center of the respective magnetic field or a center can be designated as such.
  • the magnetic field can in particular have a vanishing absolute value. Slight deviations from this are irrelevant. Likewise, a slight, for example manufacturing-related, deviation of the zero crossing from the central point is irrelevant.
  • first ring magnet and the fourth ring magnet can have the same diameter.
  • second ring magnet and the third ring magnet can have the same diameter. This has proven to be a simple and easy to plan implementation.
  • the first ring magnet can in particular have a larger diameter than the second ring magnet.
  • the fourth ring magnet can in particular have a larger diameter than the third ring magnet. This has proven to be advantageous for typical applications, with other geometrical relationships also being possible.
  • a respective diameter of an area enclosed by the ring magnet, an outer diameter of the ring magnet or a central diameter of the ring magnet can be defined as the diameter of a ring magnet. Typically the same definition is applied to all ring magnets.
  • the first ring magnet is arranged at least partially radially outside the second ring magnet.
  • the fourth ring magnet is arranged at least partially radially outside the third ring magnet. This can mean in particular that the second pair of ring magnets is arranged at least partially within the first pair of ring magnets, whereby the compensation magnetic field can advantageously come into effect.
  • the opposite version is also possible.
  • An arrangement that is completely radially outside or inside is also possible.
  • a radially outer or inner configuration can, but does not necessarily have to be, associated with an overlap along the axis.
  • the first ring magnet and the second ring magnet can partially overlap, in particular viewed along the axis.
  • the fourth ring magnet and the third ring magnet can partially overlap, in particular viewed along the axis. This has proven to be easy to manufacture and, moreover, generates an advantageous magnetic field. Overlapping along an axis can in particular be understood to mean that there is a section along the axis in which cross-sections transverse to the axis contain components of both overlapping ring magnets. Complete overlapping is also possible.
  • a spacer can be arranged radially between the second ring magnet and the first ring magnet. Furthermore, a spacer in particular can be arranged radially between the third ring magnet and the fourth ring magnet. This allows simple manufacture and a reliable definition of the distances between the ring magnets.
  • the magneto-optical trap can in particular have a carrier. This can in particular be arranged in the vacuum chamber or the vacuum chamber can also be formed in the carrier. In particular, respective recesses and / or assembly points can be formed for the ring magnets. This allows a simple structure.
  • the carrier can in particular be made in one piece. It can in particular be made of metal.
  • the carrier can be arranged within an envelope which defines the vacuum chamber.
  • the laser beam generating arrangements can in particular be arranged outside the envelope and can radiate the laser beams into the vacuum chamber, in particular through viewing windows. According to an advantageous embodiment, a center laser beam generating arrangement is arranged and aligned in such a way that the center laser beams generated by it contain the axis.
  • the axis can run centrally in a cross section of the respective central laser beam or the central laser beams. This corresponds to a simple geometric arrangement, with a cooling effect being achieved along the axis, which, for example, can also form an axis of symmetry of the resulting magnetic field generated.
  • the magneto-optical trap can in particular also have an atom source.
  • This can be designed, for example, as a Zeeman slower or as a dispenser.
  • the atom source can be designed to emit strontium atoms and / or ytterbium atoms. In the case of such atoms, the above-mentioned values for the gradient and an embodiment with surrounding cladding rays have proven particularly useful.
  • each center laser beam generating arrangement can be designed to generate the respective center laser beams with a wavelength of 689 nm. This corresponds to the transition of a strontium atom already mentioned above and can therefore be used for particularly effective cooling.
  • a wavelength of 556 nm can be used, which corresponds to a cooling transition from ytterbium.
  • each clad laser beam generating arrangement can be designed to generate the respective clad laser beam with a wavelength of 461 nm. This also corresponds to a transition in the strontium atom already mentioned above, which can be used in particular for trapping and pre-cooling.
  • a wavelength of 399 nm can be used, which corresponds to a cooling transition from ytterbium.
  • the laser beams can be out of tune in particular in comparison to the transitions to be addressed.
  • Such a detuning typically corresponds to a change, in particular an increase in the wavelength of less than or significantly less than 1 nm.
  • diode lasers with gratings can be used, for example, a resonator being formed by means of the gratings and a correspondingly exact setting of the wavelength being possible.
  • Mechanisms such as frequency doubling or frequency mixing can also be used to achieve desired wavelengths. In particular with other atoms or when addressing other transitions, other wavelengths can be used.
  • the laser cooling device can in particular have three center laser beam generating arrangements and three
  • the laser beam generating arrangements can in particular be arranged and aligned in such a way that each central laser beam is aligned transversely to the other central laser beams.
  • the same can, for example, for the
  • Clad laser beam generating arrangements apply. However, other angular relationships can also be used.
  • each central laser beam generating arrangement can be arranged and aligned in such a way that the central point is arranged centrally in the respective cross section of each central laser beam. This enables simple geometric relationships and a uniform cooling effect of the respective center laser beam around the central point, for example in a spatial area defined around the central point.
  • the laser beam generating arrangements can in particular be arranged and aligned in such a way that the clad laser beams generated by a respective clad laser beam generating arrangement are parallel to those of one
  • Center laser beams generated are center laser beams and / or surround them in cross section. This corresponds to the embodiment already described, with the respective center laser beam being surrounded by a clad laser beam, wherein, for example, the center laser beam can have a circular cross section and the clad laser beam can have an annular cross section. This has proven to be particularly advantageous for cooling strontium atoms or ytterbium atoms.
  • each laser beam generating arrangement can have a first laser and a second laser, which each generate one of the laser beams.
  • a laser beam generation arrangement can also have only one laser, the generated laser beam being split up and guided into the chamber as described.
  • a respective first laser beam in particular being directed onto the mirror and being reflected back from there as a second laser beam.
  • common lasers for several laser beam generating arrangements.
  • a laser beam generating arrangement can have optical components such as mirrors, axicons or lenses which guide the laser beams. If an arrangement and / or alignment of a laser beam generating arrangement is mentioned, this typically relates to the laser or lasers and the mentioned optical components. If necessary, this can also affect other components.
  • An axicon can in particular be understood to mean a conically ground lens.
  • a laser beam generating arrangement can, for example, also have only one laser or only a coupling in of a laser beam and furthermore a mirror which reflects the laser beam.
  • the laser beams can in particular be circularly polarized.
  • laser beams which run along the axis already described or another axis can have a first polarization
  • laser beams which run, for example, in a plane transverse to the axis or other axis have a second polarization opposite to the first. This improves the stimulation of the trapping and cooling effect.
  • the vacuum chamber can in particular have a number of viewing windows.
  • each laser beam generating arrangement can be arranged and aligned outside the vacuum chamber, so that the laser beams generated by it enter the vacuum chamber through a viewing window.
  • This allows a simple arrangement of the laser beam generating arrangements outside the vacuum chamber.
  • it is also possible to arrange the laser beam generating arrangements entirely or partially in the vacuum chamber.
  • the magneto-optical trap described herein can be used for an atomic clock, for example. It can also be used, for example, for an interferometer based on atomic beams. In addition, it can be used for a quantum computer. It can also be used for exposure purposes, for example in lithography.
  • an optical transport device can be provided, which can be generated, for example, from a superposition of two waves, in particular laser beams, and can in particular contain the central point.
  • a moving wave can be generated, in particular with moving wave troughs and wave peaks, through which cooled atoms can be transported out of the central point and its surroundings and transported to a location where sampling is possible, for example to operate an atomic clock.
  • the atoms can be brought into a defined quantum state by means of the magneto-optical trap, which can also be referred to as the dark state, for example.
  • the magneto-optical trap can also be referred to as the dark state, for example.
  • the magneto-optical trap described here enables potentially continuous sampling, and this in particular also in the case of ensembles of neutral atoms, which form a higher degree of accuracy. In embodiments according to the prior art, sampling from such ensembles of atoms typically means destruction of the ensemble.
  • a value of 10 19 means, for example, a rate deviation of one second in a period of 10 19 seconds.
  • current time references such as atomic clocks can be based on the spectroscopy of the hyperfine structure transition of cesium 133 Cs (9.2 GHz), with which, for example, an accuracy of 10 16 can be achieved.
  • the rate deviation can be significantly reduced if a reference of a higher frequency, for example in the optical field.
  • optical clocks are currently only available in metrology institutes and some research facilities.
  • Narrow-band atomic transitions are used as reference, which, depending on the element used, have a frequency that is 1,000 to 10,000 times higher. This can be achieved on the one hand with individual trapped ions or with an ensemble of neutral atoms.
  • continuous sampling can be carried out in the magneto-optical trap described herein.
  • two different magnetic fields are generated alternating in time, and the laser beams can likewise be switched alternating in time accordingly.
  • Such a switching can advantageously be dispensed with by means of the magneto-optical trap described herein, as has already been described above.
  • a cold point which can be formed, for example, by red center laser beams.
  • These can be enclosed by a cooling jacket, in particular formed from blue jacket laser beams.
  • the atoms can be trapped in the mantle and cooled until they diffuse into the center, where they are further cooled and accumulated.
  • the blue laser beams preferably have no or only an unavoidable overlap with the red ones. This can be achieved, for example, by shading the center with a diaphragm.
  • Diffractive optical elements can also be used, for example segmented phase modulators or axicons, which can generate a tube of light or a donut mode in which the intensity drops to zero in the center.
  • core transitions for example, can also be used as an alternative to optical transitions. These are considered to be significantly less sensitive to interference.
  • the transition 229m Th can be achieved by means of laser spectroscopy. This can in particular also be used by means of the magneto-optical trap described herein.
  • FIG. 1 a magneto-optical trap in a perspective view
  • Fig. 4 Means for shaping laser beams.
  • the magneto-optical trap 10 has a vacuum chamber 11 which is formed by an envelope 12.
  • the envelope 12 provides an airtightly enclosed space which can be evacuated by one or more vacuum pumps (not shown).
  • the casing 12 is shown here only in a purely schematic manner.
  • a carrier 20 is arranged in the vacuum chamber 11 and has a holder 25 on the underside. In the present case, a total of six openings 30 are arranged in the carrier 20, of which two can be seen in full in the illustration of FIG. 1, one can be seen partially and the positions of two others are marked.
  • the openings 30 are thus arranged both above and below as well as to the side, the openings 30 directed towards the side being arranged in pairs in such a way that the openings of one pair are parallel to one another and the openings of different pairs are arranged transversely to one another.
  • the upper and lower openings 30 lie in a respective plane which is aligned parallel to a plane in which the other openings 30 lie.
  • a respective viewing window 14 is formed in the envelope 12 outside of each of the openings 30. Laser beams can penetrate through these viewing windows 14. It should be mentioned that FIG. 1 is only a schematic view and therefore, in particular, the front viewing window 14 is shown with a ring which, in an actual embodiment, is embodied in the casing 12, which is shown in FIG. 1 at this point cannot be seen.
  • a front opening 30 faces the viewer in the view of FIG. 1.
  • An opening 30 points upwards.
  • Two openings 30 face to the side and are denoted by reference numerals in FIG. 1 to indicate their location, but cannot be seen as such.
  • An opening 30 points to the rear and can be seen partially through the front opening 30 in FIG. 1.
  • An opening 30 points downwards and cannot be seen in FIG. 1.
  • the viewing windows 14 are arranged and aligned accordingly, so that laser beams can penetrate through each viewing window 14, which can then penetrate into the interior of the carrier 20 through one of the openings 30.
  • a number of recesses 40 are formed around the circumference between the side-facing openings 30, these for example for the assembly of devices for supplying atoms, for example Zeeman slowers or dispensers, as well as for optical observation or for other optical devices such as the ones already further Transport device described above can be used.
  • the recesses 40 have a smaller diameter than the openings 30.
  • the magneto-optical trap 10 has a laser cooling device 100.
  • the laser cooling device 100 has a first central laser beam generating arrangement 110, a second central laser beam generating arrangement 120 and a third central laser beam generating arrangement 130.
  • the laser cooling device 100 furthermore has a first clad laser beam generation arrangement 150, a second clad laser beam generation arrangement 160 and a third clad laser beam generation arrangement 170.
  • the first center laser beam generating arrangement 110 generates a first center laser beam 115 and a second center laser beam 116, which in the illustration of FIG. 1 pass horizontally through the vacuum chamber 11 along one direction.
  • the corresponding viewing windows 30 are used for this purpose.
  • These center laser beams 115, 116 run antiparallel to one another and overlap in cross section, so that they can generate a laser cooling effect in both directions.
  • a first laser 111 is used to generate the first center laser beam 115.
  • a second laser 112 is used to generate the second center laser beam 116.
  • the first clad laser beam generating arrangement 150 generates a first clad laser beam 155 and a second clad laser beam 156. As shown, these are not designed with a round cross section, but with an annular cross section, encompassing the two center laser beams 115, 116 on the outside as they pass through the vacuum chamber 11.
  • Two semitransparent mirrors 105 serve to superimpose the center laser beams 115, 116 and the clad laser beams 155, 156.
  • the two clad laser beams 155, 156 are also antiparallel to one another and overlap one another so that they generate a cooling effect in both directions along their direction of propagation.
  • a first laser 151 is used to generate the first clad laser beam 155.
  • a second laser 152 is used to generate the second clad laser beam 156.
  • the second center laser beam generation arrangement 120 and the second clad laser beam generation arrangement 160 generate corresponding laser beams along a vertical axis. Their components are denoted by corresponding reference symbols, which are increased by a value of 10 compared to the described reference symbols of the first laser beam generating arrangements 110, 150.
  • the third center laser beam generation arrangement 130 and the third clad laser beam generation arrangement 170 generate corresponding laser beams in a horizontal direction which is transverse to the described laser beams 115, 116, 155, 156.
  • the reference symbols of the third laser beam generating arrangements 130, 170 are increased by a value of 20 compared to the described reference symbols of the first laser beam generating arrangements 110, 150. However, only that part of it arranged in front of the vacuum chamber 11 is visible.
  • the second laser beam generating arrangements 120, 160 can generate laser beams with a first circular polarization.
  • the first and third laser beam generating arrangements 110, 150, 130, 170 can generate laser beams with a first circular polarization opposite to the second. This has been found to be beneficial in terms of cooling and trapping of atoms.
  • the first and the second laser beam generating arrangements 110, 150, 120, 160 can also be of the same circular type Generate polarization or the second and the third laser beam generation arrangements 120, 160, 130, 170 can generate the same circular polarization, the remaining polarization in each case
  • Laser beam generating arrangements can generate an opposite circular polarization.
  • a total of twelve laser beams 115, 116, 125, 126, 135, 136, 155, 156, 165, 166, 175, 176 are thus present, which each run in pairs antiparallel to one another. There are three mutually transverse directions along which a cooling effect is possible.
  • the laser beams 115, 116, 125, 126, 135, 136, 155, 156, 165, 166, 175, 176 in FIG. 1 are shown thinner than they are typically in reality, not around the figure too cluttered.
  • FIG. 2 shows the carrier 20 and further components in a sectional view. It can be seen that the magneto-optical trap 10 also has a
  • a central point 60 is defined in the vacuum chamber 11 and within the carrier 20.
  • a vertical axis 50 runs through this. It should be mentioned that the axis 50 and the central point 60 are aids for defining the geometric relationships and cannot be seen as such in a typical vacuum chamber 11.
  • the magnetic field generating device 200 has a first coil 210, a second coil 220, a third coil 230 and a fourth coil 240.
  • the first coil 210 and the second coil 240 form a first coil pair.
  • the second coil 220 and the third coil 230 form a second coil pair.
  • the respective pairs of coils are connected as a respective anti-Helmholtz coil pair. Current flows through the coils 210, 220, 230, 240 are seen, for example, from top to bottom or alternate with the increasing number of the coil.
  • the coils 210, 220, 230, 240 represent respective ring magnets.
  • the coil pairs thus form respective ring magnet pairs.
  • permanent magnets in particular ring-shaped permanent magnets, can in principle also be used as an alternative.
  • the first coil 210 is arranged radially outside the second coil 220, the first coil 210 and the second coil 220 partially overlapping as seen along the axis 50.
  • the fourth coil 240 is arranged radially outside the third coil 230, the fourth coil 240 and the third coil 230 partially overlapping as seen along the axis 50.
  • the coils 210, 220, 230, 240 each have a cross section which lies in particular transversely to a respective coil axis (not shown) and transversely to the axis 50.
  • the axis 50 is therefore a common coil axis of the coils 210, 220, 230, 240 in the present case.
  • Two outer recesses 22 for the first coil 210 and the fourth coil 240 and two inner recesses 23 for the second coil 220 and the third coil 230 are formed in the carrier 20.
  • the inner recesses 23 are arranged radially further inward to the outer recesses 22.
  • the magnetic field generating device 200 just described can advantageously generate a magnetic field which supports the effect of the magneto-optical trap 10 significantly better than in embodiments according to the prior art in which the second pair of coils is not present.
  • FIG 3 shows a profile of a gradient of the generated magnetic field in a plane which is transverse to the axis 50 and in which the central point 60 is located.
  • the distance d to the central point is specified in millimeters on the horizontal axis, with at least approximately radial symmetry in the plane mentioned.
  • the gradient is given in G / cm on the vertical axis.
  • the first center laser beam 125 has a laser beam radius which defines its extension, which is round in cross section, and which represents a first radius r1.
  • the first clad laser beam 165 has an inner laser beam radius which defines a recessed area and represents a second radius r2. This is slightly larger than the first radius r1.
  • the first clad laser beam 165 also has an outer laser beam radius which defines its outer edge and represents a third radius r3.
  • the gradient has a value within a first value range W1, which in the present case ranges from 4.5 G / cm to 5.5 G / cm.
  • the gradient has values within a second value range W2, which in the present case ranges from 6 G / cm to 60 G / cm.
  • the gradient rises strictly monotonically, ie it increases with increasing distance from the central point 60.
  • Such a structuring of the magnetic field can be achieved in particular by using the second pair of coils and has proven to be particularly advantageous for a magneto-optical trap .
  • FIG. 4 shows a possible generation of a clad laser beam in such a way that it has a recessed area.
  • two axicons 106, 107 which are like this are shaped so that the first clad laser beam 155 shown here by way of example first splits, whereby it receives an expanding ring-shaped cross section, and is then brought into a parallel course again by the second axicon 107.
  • a first center laser beam 115 supplied from above is coupled in through the semitransparent mirror 105 already mentioned above, resulting in the image of the laser beams in cross section already described with reference to FIG. 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetooptische Falle mit einer Vakuumkammer, einer Laserkühlvorrichtung und einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung, wobei die Magnetfelderzeugungsvorrichtung zwei Ringmagnetenpaare aufweist, um ein resultierendes Magnetfeld aus einem Ausgangsmagnetfeld und einem Kompensationsmagnetfeld zu bilden. Damit kann das resultierende Magnetfeld deutlich besser strukturiert werden, wodurch die Leistung der magnetooptischen Falle deutlich verbessert werden kann.

Description

Magnetooptische Falle mit sich partiell kompensierenden Magnetfeldern, insbesondere als kontinuierliche Kaltatomquelle
Die Erfindung betrifft eine magnetooptische Falle.
Magnetooptische Fallen werden beispielsweise verwendet, um sehr kalte Atome für eine Atomuhr, eine interferometrische Messung oder für Quantencomputer bereitzustellen. Grundsätzlich können damit sowohl neutrale Atome wie auch Ionen eingefangen werden und auf sehr kalte Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. In diesem Zustand können sie für eine Beprobung verwendet werden, beispielsweise um eine Zeitreferenz für eine Atomuhr zu liefern.
Magnetooptische Fallen verwenden typischerweise das Prinzip der Laserkühlung, wobei beispielsweise mehrere Paare von gegenläufigen Laserstrahlen verwendet werden, welche sich an einem zentralen Punkt kreuzen. Entlang jedes Laserstrahls ist eine Kühlung möglich, da die Wellenlänge jedes Laserstrahls typischerweise im Vergleich zu einem im zu kühlenden Atom vorkommenden Übergang leicht zu einer höheren Wellenlänge verstimmt ist. Auf ein sich entgegen der Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls bewegendes Atom wirkt aufgrund des Doppler-Effekts eine leicht veränderte Wellenlänge des Laserstrahls, wodurch eine Photonenabsorption ermöglicht wird und das Atom somit über den Impuls von absorbierten Photonen abgebremst wird. Kommt das Atom zur Ruhe, absorbiert es keine Photonen aus dem jeweiligen Laserstrahl mehr, da der Doppler-Effekt bei ruhendem Atom nicht mehr zur Geltung kommt und somit keine Photonen mehr absorbiert werden.
Unter Atomen werden hier typischerweise sowohl neutrale Atome wie auch Ionen verstanden. Auch die Verwendung einer Atomfalle für Moleküle ist möglich. Um Atome in bestmöglicher Weise einzufangen, wird typischerweise ein Magnetfeld in dem Bereich angelegt, in welchem die Atome zur Ruhe kommen sollen. Bei bekannten Ausführungen wird hierfür typischerweise ein Anti-Helmholtz-Spulenpaar verwendet, welches ein geeignetes Magnetfeld erzeugt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine magnetooptische Falle vorzusehen, welche im Vergleich zu bekannten Ausführungen alternativ, beispielsweise besser, ausgeführt ist. Dies wird erfindungsgemäß durch eine magnetooptische Falle gemäß Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen können beispielsweise den Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung betrifft eine magnetooptische Falle. Die magnetooptische Falle weist insbesondere eine Vakuumkammer, eine Laserkühlvorrichtung und eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung auf.
Die Laserkühlvorrichtung weist insbesondere mindestens eine Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung und mindestens eine Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung auf. Jede
Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung ist insbesondere zur Erzeugung eines ersten Mittenlaserstrahls und eines zweiten Mittenlaserstrahls ausgebildet, welche antiparallel überlappend verlaufen sowie den zentralen Punkt beinhalten. Jede Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung ist insbesondere zur Erzeugung eines ersten Mantellaserstrahls und eines zweiten Mantellaserstrahls ausgebildet, welche antiparallel überlappend verlaufen.
Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung weist insbesondere einen ersten Ringmagneten, einen zweiten Ringmagneten, einen dritten Ringmagneten und einen vierten Ringmagneten auf. Querschnitte der Ringmagnete sind insbesondere quer zu einer Achse ausgerichtet und/oder angeordnet, die durch den zentralen Punkt verläuft. Der erste Ringmagnet und der vierte Ringmagnet bilden insbesondere ein erstes Ringmagnetenpaar zur Erzeugung eines Ausgangsmagnetfelds in der Vakuumkammer. Der zweite Ringmagnet und der dritte Ringmagnet bilden insbesondere ein zweites Ringmagnetenpaar zur Erzeugung eines Kompensationsmagnetfelds, welches das Ausgangsmagnetfeld in der Vakuumkammer zumindest teilweise kompensiert.
Die magnetooptische Falle gemäß der Erfindung hat sich als Verbesserung gegenüber bekannten magnetooptischen Fallen herausgestellt, insbesondere weil durch das zweite Ringmagnetenpaar eine wesentlich geeignetere Strukturierung des Magnetfelds möglich ist. Durch das zweite Ringmagnetenpaar, welches bei bekannten Ausführungen nicht vorhanden ist, wird eine wesentlich bessere Anpassung des in der Vakuumkammer vorhandenen Magnetfelds an die Erfordernisse ermöglicht, welche eine bestmögliche Laserkühlung erlauben und ein Einfangen und Abkühlen von Atomen insbesondere am zentralen Punkt oder in einer Umgebung des zentralen Punkts deutlich verbessern. Dies betrifft insbesondere den Gradienten des Magnetfelds.
Grundsätzlich ist auch die Verwendung von mehr als vier Ringmagneten und/oder mehr als zwei Ringmagnetenpaaren möglich, um das Magnetfeld noch genauer zu strukturieren.
Die magnetooptische Falle kann insbesondere zum Einfangen, Abbremsen und Kühlen von neutralen Atomen oder auch von Ionen verwendet werden. Beispielsweise kann sie für Strontium oder Ytterbium verwendet werden, welche sich für typische Anwendungen wie beispielsweise eine Atomuhr eignen. Auch für andere Arten von neutralen Atomen, Ionen oder Molekülen kann sie jedoch entsprechend verwendet werden.
Die magnetooptische Falle kann insbesondere eine magnetooptische Atomfalle, lonenfalle und/oder Molekülfalle sein. Sie kann insbesondere für Atome, Ionen und/oder Moleküle verwendet werden. Sie kann beispielsweise als kontinuierliche Kaltatomquelle ausgeführt sein oder verwendet werden.
Die Vakuumkammer kann insbesondere ein umschlossener Raum sein, in welchem durch eine oder mehrere Vakuumpumpen wie beispielsweise eine Turbomolekularpumpe, eine lonengetterpumpe oder durch eine Titansublimationspumpe ein definiertes Vakuum erzeugt wird. Die Vakuumkammer kann beispielsweise eine Umhüllung aufweisen. Diese kann beispielsweise aus Stahl ausgebildet sein. Die Umhüllung kann insbesondere eine Anzahl von Sichtfenstern aufweisen, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Der zentrale Punkt ist ein insbesondere rein virtuell zu definierender Punkt innerhalb der Vakuumkammer, welcher nicht an einem Objekt anhaften oder in sonstiger Weise für einen Betrachter als solcher erkennbar sein muss. Bei typischen Ausführungen können sich insbesondere verwendete Mittenlaserstrahlen am zentralen Punkt schneiden. Auch ein solches Schneiden von Mittenlaserstrahlen erfolgt typischerweise in einem bestimmten Raumbereich. Der zentrale Punkt sei hier insbesondere als ein infinitesimal kleiner Punkt innerhalb der Vakuumkammer verstanden, welcher als Hilfsmittel zur Definition der geometrischen Verhältnisse dient und beispielsweise in dem erwähnten Raumbereich angeordnet sein kann.
Die Laserkühlvorrichtung dient insbesondere zum Abkühlen von Atomen. Die Mittenlaserstrahlen und die Mantellaserstrahlen können insbesondere unterschiedliche Wellenlängen haben, wobei typischerweise alle Mittenlaserstrahlen die gleiche Wellenlänge haben und/oder alle Mantellaserstrahlen die gleiche Wellenlänge haben. Dadurch können Kühlwirkungen bei unterschiedlichen Wellenlängen kombiniert werden.
Insbesondere kann durch die Mantellaserstrahlen ein Übergang in einem Atom angesprochen werden, welcher eine hohe Energieunschärfe hat und somit insbesondere zum Einfangen und teilweisen Abkühlen von Atomen geeignet ist. Beispielsweise kann es sich bei der Verwendung von Strontium um den Übergang vom Niveau 5s1So auf das Niveau 5p1Pi handeln, welcher mit einer Wellenlänge von 461 nm ansprechbar ist. Aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation haben derartige Zustände typischerweise nur eine geringe Lebensdauer.
Die Mittenlaserstrahlen können insbesondere einen Übergang ansprechen, welcher eine geringere Energieunschärfe hat und sich somit zum noch weiteren Abkühlen der bereits eingefangenen und abgebremsten Atome eignet. Beispielsweise kann es sich bei Verwendung von Strontium um den Übergang vom Niveau 5s1So auf das Niveau 5p3Pi handeln, welcher mit einer Wellenlänge von 689 nm ansprechbar ist. Dieser hat eine deutlich längere Lebensdauer als der weiter oben erwähnte Übergang.
Durch die Ausbildung der Laserstrahlerzeugungsanordnungen derart, dass jede Laserstrahlerzeugungsanordnung zwei antiparallel überlappende Laserstrahlen erzeugt, wird eine jeweilige Strecke vorgegeben, entlang welcher die Kühlwirkung beider Laserstrahlen wirkt und somit in beiden Richtungen wirkt. Im Zusammenspiel mit dem erzeugten Magnetfeld können auf diese Weise Atome an einer bestimmten Stelle, insbesondere am zentralen Punkt oder in einer Umgebung des zentralen Punkts, wirkungsvoll eingefangen und abgekühlt werden. Beispielsweise kann jede Laserstrahlerzeugungsanordnung zwei separate Laser aufweisen, welche die beiden jeweiligen Laserstrahlen erzeugen und insbesondere gegenseitig in die Vakuumkammer einführen. Alternativ kann beispielsweise ein Laserstrahl erzeugt werden, welcher an mehreren Stellen, beispielsweise an zwei Stellen, in die Vakuumkammer eingeführt wird. Nochmal alternativ können Spiegel verwendet werden, um einen jeweiligen ersten Laserstrahl zu reflektieren und dadurch den zweiten Laserstrahl zu erzeugen. Unter einem antiparallel überlappenden Verlauf kann insbesondere verstanden werden, dass die beiden Laserstrahlen, also insbesondere der erste Mittenlaserstrahl und der zweite Mittenlaserstrahl einer Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung oder der erste Mantellaserstrahl und der zweite Mantellaserstrahl einer Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung, bezüglich ihrer Ausrichtung parallel zueinander sind, jedoch in entgegengesetzte Richtungen verlaufen und sich insbesondere überlappen. Das Überlappen kann vollständig ausgeführt sein, so dass im Querschnitt kein Unterschied zwischen den beiden Laserstrahlen feststellbar ist. Das Überlappen kann jedoch auch nur teilweise ausgeführt sein, so dass im Querschnitt Bereiche vorhanden sind, welche nur von einem Laserstrahl eingenommen werden.
Die Mittenlaserstrahlen beinhalten den zentralen Punkt, was insbesondere bedeuten kann, dass der zentrale Punkt an einer Stelle innerhalb des Querschnitts des jeweiligen Mittenlaserstrahls liegt. Somit kreuzen sich typischerweise alle Mittenlaserstrahlen am zentralen Punkt und es wird ein gewisser Raumbereich um den zentralen Punkt herum ausgebildet, in welchem sich die Mittenlaserstrahlen kreuzen, insbesondere für den Fall, dass mehr als eine Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung vorhanden ist. Die Mantellaserstrahlen können insbesondere so ausgerichtet sein, dass ein im Querschnitt vom jeweiligen Mantellaserstrahl umschlossener Bereich den zentralen Punkt beinhaltet oder auch der Querschnitt an sich den zentralen Punkt beinhaltet. Insbesondere können die Mantellaserstrahlerzeugungsanordnungen entsprechend angeordnet sein. Während die Mittenlaserstrahlen typischerweise als im Querschnitt runde oder zumindest in etwa runde Laserstrahlen ausgeführt sind, können die Mantellaserstrahlen insbesondere ringförmig oder in ähnlicher Weise einen ausgesparten Bereich umschließend ausgeführt sein. Alternativ können sie jedoch auch kreisförmig oder zumindest in etwa kreisförmig ausgeführt sein, wobei es sich herausgestellt hat, dass je nach verwendeten Atomen eine Ausführung mit ausgespartem Bereich, also beispielsweise eine ringförmige Ausführung, vorteilhaft ist, da eine Anregung von Atomen in den kurzlebigen Übergang und somit eine unkontrollierte Erzeugung eines Impulses auf das Atom dadurch verhindert werden kann. Je nach Anwendung kann jedoch auch auf eine solche Maßnahme verzichtet werden, wenn ein ausreichendes Abkühlen trotzdem möglich ist. Für diesen Fall kann eine einfachere Ausführung gewählt werden. Aufgrund der in vielen Fällen gewählten Ausführung mit einem ausgesparten Bereich, welcher beispielsweise einen Mittenlaserstrahl umschließen kann, werden die Mantellaserstrahlen als Mantellaserstrahlen bezeichnet, ohne dass dies eine Präjudiz für die genaue Ausführung, insbesondere betreffend den Querschnitt oder die Erzeugung, darstellt.
Die erwähnte Achse ist insbesondere eine Achse, welche durch den zentralen Punkt verläuft und hier ebenfalls zur Definition der geometrischen Verhältnisse dient. Sie ist typischerweise nicht als solche sichtbar, sondern kann vielmehr aus den geometrischen Verhältnissen einer magnetooptischen Falle abgeleitet werden. Die Lage der Querschnitte der Ringmagnete quer zu der Achse kann insbesondere bedeuten, dass die jeweiligen Querschnitte exakt oder zumindest in etwa einen Winkel von 90° zu der Achse einnehmen. Dies sei hier grundsätzlich unter dem Begriff „quer“ verstanden, d.h. es kann entweder ein Winkel von 90° eingenommen werden oder es kann eine geringfügige Abweichung von beispielsweise ± 1°, ± 2°, ± 5° oder ± 10° zugelassen werden, welche beispielsweise auf technischen Gegebenheiten oder Fertigungstoleranzen beruht.
Darunter, dass ein Querschnitt eines Ringmagneten quer zu der Achse angeordnet ist, kann insbesondere auch verstanden werden, dass die Achse eine Normale zum Querschnitt des Ringmagneten darstellt. Ein Querschnitt des Ringmagneten ist dabei typischerweise quer zu einer Magnetachse des Ringmagneten, wobei die Magnetachse beispielsweise identisch zur Achse sein kann. Für den Fall, dass ein Ringmagnet als elektrische Spule ausgeführt ist, kann die Magnetachse insbesondere die Spulenachse sein. Der Querschnitt eines Ringmagneten kann beispielsweise an einem axialen Ende des Ringmagneten oder auch in einem axialen Mittelpunkt oder an einer anderen axialen Stelle des Ringmagneten ermittelt werden. Er ist bei typischen Ausführungen von Ringmagneten leicht und eindeutig erkennbar.
Bei dem Querschnitt eines Ringmagneten handelt es sich typischerweise um eine von dem jeweiligen Ring umschlossene Fläche. Durch diese Fläche geht insbesondere die Achse hindurch. Dieser Querschnitt eines Ringmagneten ist somit nicht zu verwechseln mit einer Querschnittsform, welche in einer Ebene zu sehen ist, die parallel zur Achse ist und die Achse beinhaltet. Eine solche Querschnittsform kann beispielsweise kreisförmig sein, wodurch der Ringmagnet zu einem Ring entsprechend der mathematischen Definition wird. Die Querschnittsform kann jedoch auch anders ausgeführt sein, beispielsweise oval, elliptisch, rechteckig, quadratisch oder mit einer ähnlichen Form.
Die Ringmagnete können insbesondere so ausgeführt sein, dass sie unabhängig voneinander handhabbar sind. Dies gilt insbesondere für einen Zustand vor dem Zusammenbau der Falle bzw. nach einem Entfernen aus der Falle. Insbesondere können sie so ausgeführt sein, dass sie jeweils zerstörungsfrei von der Falle entfernbar sind.
Durch die Lage der Querschnitte der Ringmagnete quer zur Achse wird insbesondere erreicht, dass die beiden erzeugten Magnetfelder parallele oder insbesondere identische Symmetrieachsen haben. Dies kann auch als eigenständiges Merkmal betrachtet werden, d.h. das Ausgangsmagnetfeld und/oder das Kompensationsmagnetfeld können insbesondere jeweils axialsymmetrisch sein, und auch das aus beiden resultierende Magnetfeld kann axialsymmetrisch sein.
Das Ausgangsmagnetfeld ist typischerweise dasjenige, welches lediglich bei der Verwendung eines einzigen Ringmagnetenpaars entstehen würde, welches also beispielsweise bei aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen entsteht, welche nur ein Ringmagnetenpaar verwenden. Durch die Verwendung des zweiten Ringmagnetenpaars bei der erfindungsgemäßen Ausführung wird eine wesentlich bessere Strukturierung des Magnetfelds ermöglicht, welche sich in den von den Erfindern durchgeführten Experimenten als Verbesserung insbesondere in Bezug auf das Einfangen und Kühlen von Atomen erwiesen hat. Mit anderen Worten können die Atome noch besser, insbesondere noch weiter, abgekühlt werden, wenn das aus dem Ausgangsmagnetfeld und dem Kompensationsmagnetfeld resultierende Magnetfeld in der Vakuumkammer wirkt. Es sei erwähnt, dass der zentrale Punkt nicht zwingend die Mitte der Vakuumkammer darstellen muss, sondern an einer beliebigen Stelle innerhalb der Vakuumkammer angeordnet sein kann. Er kann jedoch auch mittig angeordnet sein. Er ist bei typischen Ausführungen anhand der geometrischen Verhältnisse der verwendeten Komponenten bestimmbar, oder es ist zumindest ein Bereich bestimmbar, in welchem der zentrale Punkt liegen kann. Er muss somit bei einer Ausführung nicht eindeutig bestimmbar sein. Es genügt, wenn ein zentraler Punkt bestimmbar ist, welcher die Geometrie wie beschrieben definiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist ein aus dem Ausgangsmagnetfeld und dem Kompensationsmagnetfeld resultierendes Magnetfeld in einer Ebene quer zur Achse, wobei sich in der Ebene bevorzugt der zentrale Punkt befindet, in einem ersten Bereich bis zu einem ersten Radius einen Gradienten aus einem ersten Wertebereich auf und weist in einem zweiten Bereich zwischen einem zweiten Radius und einem dritten Radius einen Gradienten aus einem zweiten Wertebereich auf. Der erste Radius kann insbesondere kleiner sein als der zweite Radius, und der zweite Radius kann insbesondere kleiner sein als der dritte Radius. Der erste Wertebereich und der zweite Wertebereich können insbesondere derart ausgeführt sein, dass sie nicht überlappen. Dadurch können Gradienten an jeweiligen Orten verwendet werden, welche für den jeweiligen Ort und insbesondere die dort vorherrschenden Laserstrahlen die Laserkühlung in idealer Weise unterstützen. Insbesondere kann dadurch die Anregung eines Atoms in bestimmte Niveaus durch die Laserstrahlen in vorteilhafter Weise unterstützt werden. Auch eine rückführende Wirkung des Magnetfelds auf Atome, welches auf sich vom zentralen Punkt zu stark entfernende Atome wirkt und diese wieder in Richtung des zentralen Punkts zurückbringt, kann durch die eben beschriebene Ausführung in besonders vorteilhafter Weise erreicht werden.
Vorteilhaft ist insbesondere die Streuung möglichst vieler Photonen (zyklische Anregung & Emission) pro Zeiteinheit. Um einen möglichst großen Anteil der thermischen Verteilung zu erfassen, werden bevorzugt große Magnetfelder angelegt, insbesondere mit je nach Ort mehr als 0,1 Gauß, mehr als 1 Gauß oder mehr als 5 Gauß, so dass eine hohe Dopplerverschiebung der schnellen Atome kompensiert werden kann. Da der Raum begrenzt ist, werden typischerweise hohe Gradienten verwendet, beispielsweise wie hierin beschrieben. Ein Gradient wird jedoch typischerweise bezogen auf den optischen Übergang nicht so groß gewählt, dass das Atom innerhalb der Zykluszeit (Zeit zwischen Absorption und Emission) so weit fliegt, dass der Übergang auf Grund der Doppler- bzw. Zeemanverschiebung nicht mehr adressiert werden kann. Typischerweise wird eine Wellenlänge verwendet, welche das unterste von durch das Magnetfeld aufgespalteten Zeeman-Niveaus adressiert. Dies erlaubt eine vorteilhaft rückführende Wirkung auf die Atome, Ionen oder Moleküle.
Das resultierende Magnetfeld kann beispielsweise als Vektoraddition aus dem Ausgangsmagnetfeld und dem Kompensationsmagnetfeld verstanden werden. Die Ebene quer zur Achse kann insbesondere parallel zu den Querschnitten der Ringmagnete sein. In anderen Ebenen kann sich eine etwas abweichende, jedoch auch zumindest in etwa dem beschriebenen Verlauf entsprechende Struktur des Magnetfelds ausbilden.
Ein Gradient ist insbesondere eine Änderung des Magnetfelds mit dem Ort. Er kann beispielsweise in Gauß pro Centimeter (G/cm) angegeben werden. Alternativ kann er beispielsweise auch in Tesla pro Meter (T/m) angegeben werden. Es kann sich dabei insbesondere um die Änderung eines Absolutbetrags des resultierenden Magnetfelds handeln.
Wenn der erste Radius kleiner ist als der zweite Radius, bedeutet dies insbesondere, dass sich zwischen dem ersten Radius und dem zweiten Radius ein Übergangsbereich befindet, in welchem der Gradient sich zwischen den beiden Wertebereichen befindet. Beispielsweise kann er in diesem Übergangsbereich ansteigen, um vom ersten Wertebereich zum zweiten Wertebereich zu gelangen.
Der erste Wertebereich kann insbesondere Werte zwischen 4,5 G/cm und 5,5 G/cm umfassen. Der zweite Wertebereich kann insbesondere Werte zwischen 6 G/cm und 60 G/cm umfassen. Derartige Werte haben sich insbesondere bei der Verwendung von Strontium oder Ytterbium besonders bewährt. Alternativ können die Wertebereiche auch anders definiert werden, beispielsweise kann der erste Wertebereich auch eine untere Grenze von 1 G/cm, 2 G/cm, 3 G/cm oder 4 G/cm und/oder eine obere Grenze von 6 G/cm, 7 G/cm oder 10 G/cm aufweisen. Auch kann der zweite Wertebereich beispielsweise eine untere Grenze von 7 G/cm, 10 G/cm oder 15 G/cm und/oder eine obere Grenze von 50 G/cm, 70 G/cm oder 100 G/cm aufweisen. Insbesondere für andere Atome können auch andere Wertebereiche verwendet werden. Typischerweise sind die Werte des zweiten Wertebereichs größer als die Werte des ersten Wertebereichs, insbesondere bezüglich ihres Absolutbetrags.
Der erste Radius kann insbesondere einem Laserstrahlradius mindestens eines Mittenlaserstrahls entsprechen. Der Laserstrahlradius ist dabei insbesondere ein Radius, welchen der Laserstrahl im Querschnitt hat, sofern er rund ist oder zumindest in etwa rund ist. Ein solcher Radius kann im Querschnitt typischerweise leicht abgelesen werden. Es sei erwähnt, dass in einer typischen Implementierung die Mittenlaserstrahlen gleiche Laserstrahlradien haben, dass jedoch auch unterschiedliche Laserstrahlradien der Mittenlaserstrahlen verwendet werden können und beispielsweise für diesen Fall eine Implementierung vorgesehen sein kann, bei welcher der erste Radius mindestens einem dieser Laserstrahlradien entspricht. Auch das Entsprechen des ersten Radius zu mehreren Laserstrahlradien von Mittenlaserstrahlen ist möglich. Unter dem Begriff eines „Entsprechens“ sei hierin insbesondere verstanden, dass die Werte entweder gleich sind oder zumindest nur Abweichungen voneinander haben, welche als geringfügig zu betrachten sind und/oder keinen relevanten technischen Effekt haben, beispielsweise eine Abweichung von ± 1 %, ± 5 % oder ± 10 % haben.
Der zweite Radius kann insbesondere einem inneren Laserstrahlradius mindestens eines Mantellaserstrahls entsprechen. Der dritte Radius kann insbesondere einem äußeren Laserstrahlradius mindestens eines Mantellaserstrahls entsprechen. Auch bei den Mantellaserstrahlen gilt, dass diese in typischen Ausführungen identisch zueinander bzw. mit identischem Querschnitt ausgeführt sind, dass sie jedoch auch unterschiedlich ausgeführt sein können. Der innere Laserstrahlradius kann dabei insbesondere ein Radius eines vom jeweiligen Mantellaserstrahl im Querschnitt ausgesparten Bereichs sein und/oder er kann ein innerer Radius eines Rings sein, welchen der Mantellaserstrahl im Querschnitt einnimmt. Ebenso kann der äußere Laserstrahlradius ein äußerer Radius eines Rings sein, welchen der Mantellaserstrahl im Querschnitt einnimmt. Sofern der Mantellaserstrahl keinen ausgesparten Bereich hat, kann der innere Laserstrahlradius des Mantellaserstrahls beispielsweise null betragen. Für die hier relevante Definition kann für diesen Fall beispielsweise der innere Laserstrahlradius als der Laserstrahlradius eines beinhalteten Mittenlaserstrahls gesetzt werden, um die Radien der Wertebereiche zu definieren. Auch kann zwischen dem zweiten Radius und dem ersten Radius ein vorgegebener Abstand vorhanden sein. Beispielsweise in dem Fall, in welchen ein Mantellaserstrahl keinen scharf abgrenzbaren ausgesparten Bereich hat, sondern beispielsweise kontinuierlich zur Mitte seines Querschnitts hin schwächer wird, kann der innere Laserstrahlradius auch mittels eines Schwellenwerts der Intensität definiert werden. Es kann also beispielsweise derjenige Radius als innerer Laserstrahlradius verwendet werden, an welchem die Intensität den Schwellenwert erreicht. Diese Definition kann auch an anderer Stelle angewandt werden, beispielsweise beim Bestimmen, ob ein Mantellaserstrahl einen Mittenlaserstrahl umgibt.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Gradient des resultierenden Magnetfelds zwischen dem zweiten Radius und dem dritten Radius in der Ebene mit zunehmendem Abstand vom zentralen Punkt ansteigt. Dies hat sich als besonders vorteilhaft für die gewünschte Wirkung des Magnetfelds in Bezug auf die gewünschte Laserkühlung erwiesen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass in einer Ebene quer zu jedem Mittenlaserstrahl, in welcher der zentrale Punkt liegt, die Mantellaserstrahlen ausschließlich umgebend um den Mittenlaserstrahl sind. Sofern ein Mantellaserstrahl und ein Mittenlaserstrahl parallel zueinander ausgerichtet sind, kann dies beispielsweise bedeuten, dass der Mantellaserstrahl den Mittenlaserstrahl umgibt. Beispielsweise kann der Mittenlaserstrahl einen kreisförmigen Querschnitt haben und der Mantellaserstrahl kann einen ringförmigen Querschnitt haben, welcher insbesondere zum kreisförmigen Querschnitt des Mittenlaserstrahls beabstandet sein kann.
Wenn Mittenlaserstrahl und Mantellaserstrahl nicht parallel zueinander sind, zeigen diese bevorzugt typischerweise trotzdem in der beschriebenen Ebene, in welcher der zentrale Punkt liegt und welche quer zu dem Mittenlaserstrahl liegt, das eben beschriebene Verhalten. Dies ist selbst dann der Fall, wenn Mittenlaserstrahl und Mantellaserstrahl einen Winkel von beispielsweise 45°, 90°, 180° oder jeden anderen Winkel zueinander einnehmen, was auch unabhängig von der Raumrichtung gilt. Durch die beschriebene Struktur des Querschnitts wird eine besonders effektive Abkühlung von Atomen, Ionen oder Molekülen erreicht, da insbesondere durch den Mantellaserstrahl die Atome eingefangen und bis zu einem gewissen Grad gekühlt werden können, wohingegen sie durch den Mittenlaserstrahl noch weiter abgekühlt werden können. Durch die beschriebene Struktur im Querschnitt wird insbesondere erreicht, dass sich die Wirkungen von Mittenlaserstrahlen und Mantellaserstrahlen nicht oder zumindest nicht mehr als unbedingt erforderlich bzw. unvermeidlich gegenseitig beeinflussen.
Insbesondere kann ein aus dem Ausgangsmagnetfeld und dem Kompensationsmagnetfeld resultierendes Magnetfeld, zumindest innerhalb der Ringmagnetenpaare, ein Quadrupolfeld sein. Ein solches Quadrupolfeld kann insbesondere dadurch charakterisiert sein, dass bei einer Multipolentwicklung des Magnetfelds lediglich ein zweiter Term nichtverschwindend ist, oder dieser zumindest den überwiegenden Anteil am gesamten Magnetfeld hat, beispielsweise mit einem Anteil von mehr als 50 %, mehr als 70 %, mehr als 80 %, mehr als 90 % oder mehr als 95 %. Ein solches Quadrupolfeld hat sich für die hier vorliegende Falle als besonders vorteilhaft erwiesen, da es besser als ein Magnetfeld, welches von nur einem Anti- Helmholtz-Spulenpaar erzeugt wird, für die Abkühlung und das Einfangen von Atomen sorgt. Die Charakteristik eines Quadrupolfelds kann insbesondere lokal und/oder innerhalb der Ringmagnetenpaare und/oder innerhalb eines Trägers der Ringmagnete und/oder in unmittelbarer Umgebung um den zentralen Punkt gelten, beispielsweise in einer Umgebung von 1 cm, 2 cm oder 5 cm. Insbesondere außerhalb der Ringmagnetenpaare kann auch eine andere Charakteristik des Magnetfelds vorhanden sein. Unter einem Bereich innerhalb eines Ringmagnetenpaars kann dabei insbesondere ein Bereich verstanden werden, welcher zwischen den beiden Ringmagneten des Ringmagnetenpaars liegt. Auch eine vollständige Ausbildung des Magnetfelds als Quadrupolfeld kann jedoch verwendet werden.
Insbesondere können einer, einige oder alle Ringmagnete als elektrische Spule ausgebildet sein. Insbesondere können einer, einige oder alle Ringmagnete als ringförmiger Permanentmagnet ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführung sind alle Ringmagnete auf die gleiche Art, also entweder als Spule oder als Permanentmagnet, ausgebildet. Insbesondere können die Ringmagnete jedes Ringmagnetenpaars gleich ausgebildet sein. Auch andere Kombinationen sind jedoch möglich. Beispielsweise können die Ringmagnete des ersten Ringmagnetenpaars als Spulen ausgeführt sein und die Ringmagnete des zweiten Ringmagnetenpaars als Permanentmagnete ausgeführt sein, oder umgekehrt.
Insbesondere bei der Verwendung von Permanentmagneten ist es möglich, einen jeweiligen Ring bzw. Ringmagneten aus mehreren einzelnen Magneten, insbesondere Segmenten, Scheiben, Stäben oder anders geformten unabhängigen Magneten zusammenzusetzen. Derartige Permanentmagnete können auch als Permanentmagnetanordnungen bezeichnet werden.
Insbesondere können die Ringmagnete und/oder die Ringmagnetenpaare jeweils ein räumlich veränderliches bzw. stark räumlich veränderliches Magnetfeld erzeugen. Dieses kann insbesondere innerhalb der jeweiligen Ringmagnetenpaare, zumindest innerhalb des größten Teils innerhalb der Ringmagnetenpaare, eine größere oder deutlich größere Feldstärke haben als ein halbes Gauß oder ein Gauß. Es kann insbesondere einen Gradienten haben, welche zumindest in einem Teil oder dem überwiegenden des Bereichs innerhalb eines Ringmagnetenpaars oder innerhalb der Ringmagnetenpaare einen Gradienten von mehr als 5 G/cm haben. Die Ringmagnete und/oder Ringmagnetenpaare dienen somit nicht zur Kompensation des Erdmagnetfelds, sondern zur räumlichen Strukturierung des resultierenden Magnetfelds.
Die Laserkühlvorrichtung kann insbesondere dazu konfiguriert sein, die Mittenlaserstrahlen und die Mantellaserstrahlen gleichzeitig kontinuierlich zu erzeugen. Dadurch wird eine einfachere Vorgehensweise ermöglicht als bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik, bei welchen Mittenlaserstrahl und Mantellaserstrahl, typischerweise mit unterschiedlichen Wellenlängen, nacheinander angewendet werden. Die hierin beschriebene magnetooptische Falle ermöglicht es, Mittenlaserstrahlen und Mantellaserstrahlen gleichzeitig anzuwenden und somit eine einfachere und noch wirkungsvollere Abkühlung von Atomen zu bewirken. Dies kann insbesondere kontinuierlich erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind der erste Ringmagnet und der vierte Ringmagnet gleich weit vom zentralen Punkt beabstandet. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung sind der zweite Ringmagnet und der dritte Ringmagnet gleich weit vom zentralen Punkt beabstandet. Unter einer gleich weiten Beabstandung kann insbesondere die gleich weite Beabstandung von bestimmten Stellen der Ringmagnete, beispielsweise an einem axialen Ende, verstanden werden. Geringfügige Variationen, welche sich beispielsweise aus Fertigungstoleranzen oder unvermeidlichen geometrischen Einschränkungen ergeben, sind dabei unbeachtlich. Insbesondere kann der zweite Ringmagnet näher am zentralen Punkt sein als der erste Ringmagnet. Ebenso kann insbesondere der dritte Ringmagnet näher am zentralen Punkt sein als der vierte Ringmagnet.
Das erste Ringmagnetenpaar kann insbesondere ein Anti-Helmholtz-Spulenpaar bilden und/oder ein Magnetfeld entsprechend einem Anti-Helmholtz-Spulenpaar erzeugen. Des Weiteren kann insbesondere das zweite Ringmagnetenpaar ein Anti-Helmholtz- Spulenpaar bilden und/oder ein Magnetfeld entsprechend einem Anti-Helmholtz- Spulenpaar erzeugen. Derart erzeugte Magnetfelder haben sich als besonders vorteilhaft für die hierin beschriebene magnetooptische Falle erwiesen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass bei als Spulen ausgeführten Ringmagneten eine Bestromung verwendet wird, bei welcher die Spulen eines jeweiligen Spulenpaars in entgegengesetzter Richtung bestromt werden (Anti- Helmholtz-Konfiguration). Bei Verwendung von Permanentmagneten als Ringmagnete können die Permanentmagnete entsprechend magnetisiert sein, so dass sie ein Magnetfeld entsprechend einem Anti-Helmholtz-Spulenpaar erzeugen.
Insbesondere können das Ausgangsmagnetfeld, das Kompensationsmagnetfeld und/oder das daraus resultierende Magnetfeld in einem jeweiligen Zentrum, beispielsweise dem zentralen Punkt, verschwinden. Insbesondere können das Ausgangsmagnetfeld, das Kompensationsmagnetfeld und/oder das daraus resultierende Magnetfeld von Zentrum aus entlang der Achse ansteigen, insbesondere linear ansteigen. Insbesondere können das Ausgangsmagnetfeld, das Kompensationsmagnetfeld und/oder das daraus resultierende Magnetfeld Gradientenfelder sein.
Insbesondere kann ein Nulldurchgang des vom ersten Ringmagnetenpaar erzeugten Magnetfelds im zentralen Punkt liegen. Des Weiteren kann insbesondere ein Nulldurchgang des vom zweiten Ringmagnetenpaar erzeugten Magnetfelds im zentralen Punkt liegen. Ferner kann insbesondere ein Nulldurchgang eines aus dem Ausgangsmagnetfeld und dem Kompensationsmagnetfeld resultierenden Magnetfelds im zentralen Punkt liegen. Die Lage derartiger Nulldurchgänge im zentralen Punkt bedeutet insbesondere, dass sich der jeweilige Nulldurchgang an einer Stelle befindet, an welcher typischerweise die Kühlwirkung der Laserstrahlen bestmöglich erfolgt.
Ein Nulldurchgang kann beispielsweise ein Zentrum des jeweiligen Magnetfelds sein oder ein Zentrum kann so bezeichnet werden. An einem Nulldurchgang kann das Magnetfeld insbesondere einen verschwindenden Absolutbetrag haben. Geringfügige Abweichungen hiervon bleiben unbeachtlich. Ebenso ist eine geringfügige, beispielsweise fertigungsbedingte Abweichung des Nulldurchgangs vom zentralen Punkt unbeachtlich.
Insbesondere können der erste Ringmagnet und der vierte Ringmagnet den gleichen Durchmesser aufweisen. Des Weiteren können insbesondere der zweite Ringmagnet und der dritte Ringmagnet den gleichen Durchmesser aufweisen. Dies hat sich als einfache und leicht planbare Ausführung erwiesen.
Der erste Ringmagnet kann insbesondere einen größeren Durchmesser aufweisen als der zweite Ringmagnet. Der vierte Ringmagnet kann insbesondere einen größeren Durchmesser aufweisen als der dritte Ringmagnet. Dies hat sich für typische Anwendungen als vorteilhaft herausgestellt, wobei auch andere geometrischen Verhältnisse möglich sind.
Als Durchmesser eines Ringmagneten kann beispielsweise ein jeweiliger Durchmesser einer von dem Ringmagneten umschlossenen Fläche, ein äußerer Durchmesser des Ringmagneten oder ein mittiger Durchmesser des Ringmagneten definiert werden. Typischerweise wird die gleiche Definition auf alle Ringmagnete angewandt.
Gemäß einer Ausführung ist der erste Ringmagnet zumindest teilweise radial außerhalb des zweiten Ringmagneten angeordnet. Gemäß einer Ausführung ist der vierte Ringmagnet zumindest teilweise radial außerhalb des dritten Ringmagneten angeordnet. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das zweite Ringmagnetenpaar zumindest partiell innerhalb des ersten Ringmagnetenpaars angeordnet ist, wodurch das Kompensationsmagnetfeld in vorteilhafter Weise zur Wirkung kommen kann. Auch die entgegengesetzte Ausführung ist jedoch möglich. Auch eine jeweils vollständig radial außerhalb oder innerhalb liegende Anordnung ist möglich. Eine radial außenliegende oder innenliegende Konfiguration kann, muss jedoch nicht zwingend mit einem Überlapp entlang der Achse verbunden sein.
Der erste Ringmagnet und der zweite Ringmagnet können insbesondere entlang der Achse gesehen teilweise überlappen. Ebenso können der vierte Ringmagnet und der dritte Ringmagnet insbesondere entlang der Achse gesehen teilweise überlappen. Dies hat sich als einfach herstellbar erwiesen, und erzeugt im Übrigen ein vorteilhaftes Magnetfeld. Unter einem Überlappen entlang einer Achse kann insbesondere verstanden werden, dass es entlang der Achse einen Abschnitt gibt, in welchem Querschnitte quer zur Achse Bestandteile beider überlappender Ringmagnete beinhalten. Auch ein vollständiges Überlappen ist möglich.
Radial zwischen dem zweiten Ringmagneten und dem ersten Ringmagneten kann insbesondere ein Abstandshalter angeordnet sein. Des Weiteren kann radial zwischen dem dritten Ringmagneten und dem vierten Ringmagneten insbesondere ein Abstandshalter angeordnet sein. Dies erlaubt eine einfache Herstellung und eine zuverlässige Definition von Abständen zwischen den Ringmagneten.
Die magnetooptische Falle kann insbesondere einen Träger aufweisen. Dieser kann insbesondere in der Vakuumkammer angeordnet sein oder es kann auch in dem Träger die Vakuumkammer ausgebildet sein. Insbesondere können für die Ringmagnete jeweilige Ausnehmungen und/oder Montagestellen ausgebildet sein. Dies erlaubt einen einfachen Aufbau. Der Träger kann insbesondere einstückig ausgeführt sein. Er kann insbesondere aus Metall ausgeführt sein. Insbesondere kann der Träger innerhalb einer Umhüllung angeordnet sein, welche die Vakuumkammer definiert. Die Laserstrahlerzeugungsanordnungen können insbesondere außerhalb der Umhüllung angeordnet sein und können die Laserstrahlen insbesondere durch Sichtfenster in die Vakuumkammer einstrahlen. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist eine Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung so angeordnet und ausgerichtet, dass die von ihr erzeugten Mittenlaserstrahlen die Achse beinhalten. Beispielsweise kann die Achse mittig in einem Querschnitt des jeweiligen Mittenlaserstrahls oder der Mittenlaserstrahlen verlaufen. Dies entspricht einer einfachen geometrischen Anordnung, wobei eine Kühlwirkung entlang der Achse, welche beispielsweise auch eine Symmetrieachse des erzeugten resultierenden Magnetfelds bilden kann, erreicht wird.
Die magnetooptische Falle kann insbesondere ferner eine Atomquelle aufweisen. Diese kann beispielsweise als Zeeman-Slower oder als Dispenser ausgeführt sein. Insbesondere kann die Atomquelle zur Abgabe von Strontium-Atomen und/oder von Ytterbium-Atomen ausgebildet sein. Bei derartigen Atomen haben sich insbesondere die weiter oben genannten Werte für den Gradienten sowie eine Ausführung mit umgebenden Mantelstrahlen bewährt.
Insbesondere kann jede Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung dazu ausgebildet sein, die jeweiligen Mittenlaserstrahlen mit einer Wellenlänge von 689 nm zu erzeugen. Dies entspricht dem bereits weiter oben erwähnten Übergang eines Strontium-Atoms und kann somit für eine besonders wirksame Kühlung verwendet werden. Alternativ kann beispielsweise eine Wellenlänge von 556 nm verwendet werden, welche einem Kühlübergang von Ytterbium entspricht. Insbesondere kann jede Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung dazu ausgebildet sein, den jeweiligen Mantellaserstrahl mit einer Wellenlänge von 461 nm zu erzeugen. Dies entspricht ebenfalls einem weiter oben bereits genannten Übergang im Strontium -Atom, welcher insbesondere zum Einfangen und Vorkühlen verwendet werden kann. Alternativ kann beispielsweise eine Wellenlänge von 399 nm verwendet werden, was einem Kühlübergang von Ytterbium entspricht. Die Laserstrahlen können insbesondere im Vergleich zu den anzusprechenden Übergängen verstimmt sein. Eine solche Verstimmung entspricht typischerweise einer Änderung, insbesondere Erhöhung der Wellenlänge von unter bzw. erheblich unter 1 nm. Hierzu können beispielsweise Diodenlaser mit Gittern verwendet werden, wobei mittels der Gitter ein Resonator ausgebildet wird und eine entsprechend exakte Einstellung der Wellenlänge möglich ist. Auch Mechanismen wie Frequenzverdopplung oder Frequenzmischung können zum Erzielen gewünschter Wellenlängen verwendet werden. Insbesondere bei anderen Atomen oder beim Ansprechen anderer Übergänge können andere Wellenlängen verwendet werden.
Die Laserkühlvorrichtung kann insbesondere drei Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnungen und drei
Mantellaserstrahlerzeugungsanordnungen aufweisen. Dadurch werden insgesamt sechs Mittenlaserstrahlen und sechs Mantellaserstrahlen erzeugt, insgesamt also zwölf Laserstrahlen. Dies hat sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen.
Die Laserstrahlerzeugungsanordnungen können insbesondere so angeordnet und ausgerichtet sein, dass jeder Mittenlaserstrahl quer zu den anderen Mittenlaserstrahlen ausgerichtet ist. Gleiches kann beispielsweise für die
Mantellaserstrahlerzeugungsanordnungen gelten. Auch andere Winkelverhältnisse können jedoch verwendet werden.
Insbesondere kann jede Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung so angeordnet und ausgerichtet sein, dass der zentrale Punkt mittig im jeweiligen Querschnitt jedes Mittenlaserstrahls angeordnet ist. Dies ermöglicht einfache geometrische Verhältnisse und eine gleichmäßige Kühlwirkung des jeweiligen Mittenlaserstrahls um den zentralen Punkt herum, beispielsweise in einem um den zentralen Punkt herum definierten Raumbereich.
Die Laserstrahlerzeugungsanordnungen können insbesondere so angeordnet und ausgerichtet sein, dass die von einer jeweiligen Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung erzeugten Mantellaserstrahlen parallel zu den von einer
Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung erzeugten Mittenlaserstrahlen sind und/oder diese im Querschnitt umgeben. Dies entspricht der bereits beschriebenen Ausführung mit einer Umfassung des jeweiligen Mittenlaserstrahls durch einen Mantellaserstrahl, wobei beispielsweise der Mittenlaserstrahl einen kreisförmigen Querschnitt haben kann und der Mantellaserstrahl einen ringförmigen Querschnitt haben kann. Dies hat sich insbesondere für die Kühlung von Strontium-Atomen oder Ytterbium-Atomen als vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere kann jede Laserstrahlerzeugungsanordnung einen ersten Laser und einen zweiten Laser aufweisen, welche jeweils einen der Laserstrahlen erzeugen. Alternativ kann eine Laserstrahlerzeugungsanordnung auch nur einen Laser aufweisen, wobei der erzeugte Laserstrahl aufgeteilt und wie beschrieben in die Kammer geleitet wird. Auch die Verwendung von Spiegeln ist möglich, wobei insbesondere ein jeweiliger erster Laserstrahl auf den Spiegel gerichtet wird und von dort als zweiter Laserstrahl zurückreflektiert wird. Auch die Verwendung gemeinsamer Laser für mehrere Laserstrahlerzeugungsanordnungen ist möglich. Des Weiteren kann eine Laserstrahlerzeugungsanordnung optische Komponenten wie Spiegel, Axicons oder Linsen aufweisen, welche die Laserstrahlen führen. Wenn eine Anordnung und/oder Ausrichtung einer Laserstrahlerzeugungsanordnung erwähnt wird, betrifft dies typischerweise den oder die Laser sowie die erwähnten optischen Komponenten. Gegebenenfalls kann dies auch noch weitere Komponenten betreffen. Unter einem Axicon kann insbesondere eine konisch geschliffene Linse verstanden werden.
Gemäß einer Ausführung kann eine Laserstrahlerzeugungsanordnung beispielsweise auch nur einen Laser oder nur eine Einkopplung eines Laserstrahls und ferner einen Spiegel aufweisen, welcher den Laserstrahl reflektiert.
Die Laserstrahlen können insbesondere zirkular polarisiert sein. Insbesondere können Laserstrahlen, welche entlang der bereits beschriebenen Achse oder einer anderen Achse verlaufen, eine erste Polarisation haben, und Laserstrahlen, welche beispielsweise in einer quer zur Achse bzw. anderen Achse liegenden Ebene verlaufen, eine zweite, zur ersten entgegengesetzte Polarisation aufweisen. Dadurch wird die Anregung zur Einfang- und Kühlwirkung verbessert.
Die Vakuumkammer kann insbesondere eine Anzahl von Sichtfenstern aufweisen. Insbesondere kann jede Laserstrahlerzeugungsanordnung außerhalb der Vakuumkammer angeordnet und ausgerichtet sein, so dass die von ihr erzeugten Laserstrahlen durch ein Sichtfenster in die Vakuumkammer eintreten. Dies erlaubt eine einfache Anordnung der Laserstrahlerzeugungsanordnungen außerhalb der Vakuumkammer. Auch eine Anordnung der Laserstrahlerzeugungsanordnungen ganz oder teilweise in der Vakuumkammer ist jedoch möglich. Die hierin beschriebene magnetooptische Falle kann beispielsweise für eine Atomuhr verwendet werden. Ebenso kann sie beispielsweise für ein Interferometer, welches auf Atomstrahlen basiert, verwendet werden. Außerdem kann sie für einen Quantencomputer verwendet werden. Auch eine Anwendung für Belichtungszwecke wie beispielsweise in der Lithographie ist möglich. Insbesondere kann zusätzlich zu den bereits beschriebenen Komponenten eine optische Transporteinrichtung vorgesehen sein, welche beispielsweise aus einer Überlagerung zweier Wellen, insbesondere von Laserstrahlen, erzeugt werden kann und insbesondere den zentralen Punkt beinhalten kann. Hierdurch kann eine sich bewegende Welle insbesondere mit sich bewegenden Wellentälern und Wellenbergen erzeugt werden, durch welche abgekühlte Atome aus dem zentralen Punkt und seiner Umgebung herausbefördert werden können und an einen Ort befördert werden können, an welchem eine Beprobung beispielsweise zum Betrieb einer Atomuhr möglich ist.
Insbesondere können die Atome mittels der magnetooptischen Falle in einen definierten Quantenzustand gebracht werden, welcher beispielsweise auch als Dunkelzustand bezeichnet werden kann. Vorteilhaft ist die Verwendung eines Zustands, der weder auf Magnetfelder noch Licht von inneren oder äußeren Laserstrahlen sensitiv ist. Ein solcher Zustand kann insbesondere nicht magnetisch sensitiv ausgeführt sein. Insbesondere wird durch die hierin beschriebene magnetooptische Falle eine potentiell kontinuierliche Beprobung ermöglicht, und dies insbesondere auch bei Ensembles von neutralen Atomen, welche eine höhere Genauigkeit bilden. Bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik bedeutet eine Beprobung von solchen Ensembles von Atomen typischerweise eine Zerstörung des Ensembles. Es hat sich gezeigt, dass beispielsweise die Genauigkeit einer Atomuhr, welche die magnetooptische Falle verwendet, auf einen Wert von 1019 im Vergleich zu 1016 bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik verbessert werden kann. Ein Wert von 1019 bedeutet beispielsweise eine Gangabweichung von einer Sekunde in einem Zeitraum von 1019 Sekunden.
Beispielsweise können aktuelle Zeitreferenzen wie Atomuhren auf der Spektroskopie des Hyperfeinstrukturübergangs von Cäsium 133Cs (9,2 GHz) basieren, womit beispielsweise eine Genauigkeit von 1016 realisiert werden kann. Die Gangabweichung kann wesentlich reduziert werden, wenn eine Referenz höherer Frequenz, beispielsweise im optischen Bereich, eingesetzt wird. Diese sogenannten optischen Uhren sind bislang nur in Metrologieinstituten und einigen Forschungseinrichtungen verfügbar. Dabei werden schmalbandige atomare Übergänge als Referenz verwendet, die abhängig von dem verwendeten Element eine 1.000- bis 10.000-fach höhere Frequenz aufweisen. Realisieren lässt sich dies einerseits mit einzelnen gefangenen Ionen ober aber mit einem Ensemble neutraler Atome.
Ionen können aufgrund ihrer wechselseitigen Abstoßung stets nur einzeln verwendet werden. Dies begrenzt ihre Genauigkeit. Ein Ensemble kalter neutrale Atome ist Ionen typischerweise überlegen, allerdings wird dieses bei bekannten Ausführungen typischerweise bei jeder Messung zerstört, so dass effektiv eine ähnliche Genauigkeit erzielt wird. Eine kontinuierliche Beprobung, wie sie insbesondere mittels der hierin beschriebenen magnetooptischen Falle möglich ist, kann diese Grenze um Größenordnungen verschieben.
Insbesondere kann bei der hierin beschriebenen magnetooptischen Falle eine kontinuierliche Beprobung vorgenommen werden. Bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik werden beispielsweise zwei unterschiedliche Magnetfelder zeitlich alternierend erzeugt, und die Laserstrahlen können ebenfalls entsprechend zeitlich alternierend geschaltet werden. Auf ein solches Schalten kann mittels der hierin beschriebenen magnetooptischen Falle vorteilhaft verzichtet werden, wie bereits weiter oben beschrieben wurde. Im Zentrum eines Quadrupolfelds kann sich insbesondere eine kalte Stelle befinden, welche beispielsweise durch rote Mittenlaserstrahlen gebildet werden kann. Diese können von einem kühlenden Mantel, insbesondere gebildet aus blauen Mantellaserstrahlen, umschlossen werden. Die Atome können in dem Mantel gefangen werden und so lange gekühlt werden, bis sie in das Zentrum diffundieren, wo sie weiter gekühlt und akkumuliert werden. Um ein Aufheizen der roten Stelle durch Streuung blauer Photonen zu unterbinden, haben die blauen Laserstrahlen vorzugsweise keinen oder nur einen unvermeidlichen Überlapp mit den roten. Dies kann beispielsweise durch Abschatten des Zentrums mit einer Blende erreicht werden. Es können auch diffraktive optische Elemente verwendet werden, beispielsweise segmentierte Phasenmodulatoren oder Axicons, welche einen Lichtschlauch bzw. eine Donut-Mode erzeugen können, bei welcher die Intensität im Zentrum auf null abfällt. Grundsätzlich können alternativ zu optischen Übergängen beispielsweise auch Kernübergänge verwendet werden. Diese gelten als deutlich unempfindlicher gegen Störungen. Beispielsweise kann mittels Laserspektroskopie der Übergang 229mTh erreicht werden. Dieser kann insbesondere auch mittels der hierin beschriebenen magnetooptischen Falle verwendet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen: Fig. 1 : eine magnetooptische Falle in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 2: einen Träger der magnetooptischen Falle in einer Querschnittsansicht,
Fig. 3: einen Verlauf eines Magnetfeldgradienten, und
Fig. 4: Mittel zur Formung von Laserstrahlen.
Fig. 1 zeigt rein schematisch eine magnetooptische Falle 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die magnetooptische Falle 10 weist eine Vakuumkammer 11 auf, welche von einer Umhüllung 12 gebildet wird. Die Umhüllung 12 stellt einen luftdicht umschlossenen Raum zur Verfügung, welcher durch eine oder mehrere nicht gezeigte Vakuumpumpen evakuiert werden kann. Die Umhüllung 12 ist hier lediglich rein schematisch dargestellt. In der Vakuumkammer 11 ist ein Träger 20 angeordnet, welcher untenseitig eine Halterung 25 aufweist. In dem Träger 20 sind vorliegend insgesamt sechs Öffnungen 30 angeordnet, von welchen in der Darstellung von Fig. 1 zwei vollständig zu sehen sind, eine teilweise zu sehen ist und die Positionen von zwei weiteren markiert sind. Die Öffnungen 30 sind somit sowohl oben und unten wie auch zur Seite hin angeordnet, wobei die zur Seite hin gerichteten Öffnungen 30 derart paarweise angeordnet sind, dass die Öffnungen eines Paars parallel zueinander sind und die Öffnungen unterschiedlicher Paare quer zueinander angeordnet sind. Die oberen und unteren Öffnungen 30 liegen in einer jeweiligen Ebene, welche parallel zu einer Ebene ausgerichtet ist, in welcher die anderen Öffnungen 30 liegen. Jeweils außerhalb zu jeder der Öffnungen 30 ist ein jeweiliges Sichtfenster 14 in der Umhüllung 12 ausgebildet. Durch diese Sichtfenster 14 können Laserstrahlen eindringen. Es sei erwähnt, dass es sich bei Fig. 1 nur um einen schematische Ansicht handelt und deshalb insbesondere das vordere Sichtfenster 14 mit einem Ring dargestellt ist, welcher in einer tatsächlichen Ausführung in der Umhüllung 12 ausgeführt ist, welche in Fig. 1 an dieser Stelle nicht zu sehen ist. Eine vordere Öffnung 30 weist in der Ansicht von Fig. 1 auf den Betrachter. Eine Öffnung 30 zeigt nach oben. Zwei Öffnungen 30 weisen zur Seite und sind in der Figur 1 zwar mit Bezugszeichen bezeichnet, um ihren Ort anzuzeigen, sind jedoch als solche nicht zu sehen. Eine Öffnung 30 weist nach hinten und ist in Fig. 1 partiell durch die vordere Öffnung 30 zu sehen. Eine Öffnung 30 weist nach unten und ist in Fig. 1 nicht zu sehen. Entsprechend sind die Sichtfenster 14 angeordnet und ausgerichtet, so dass durch jedes Sichtfenster 14 Laserstrahlen eindringen können, welche dann durch eine der Öffnungen 30 in das Innere des Trägers 20 eindringen können.
Umfangsmäßig zwischen den zur Seite weisenden Öffnungen 30 sind eine Anzahl von Ausnehmungen 40 ausgebildet, wobei diese beispielsweise zur Montage von Einrichtungen zum Zuführen von Atomen, beispielsweise Zeeman-Slowern oder Dispensern, sowie zur optischen Beobachtung oder auch für weitere optische Geräte wie beispielsweise die bereits weiter oben beschriebene Transporteinrichtung verwendet werden können. Die Ausnehmungen 40 haben insbesondere einen kleineren Durchmesser als die Öffnungen 30.
Die magnetooptische Falle 10 weist eine Laserkühlvorrichtung 100 auf. Die Laserkühlvorrichtung 100 weist eine erste Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung 110, eine zweite Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung 120 und eine dritte Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung 130 auf. Die Laserkühlvorrichtung 100 weist ferner eine erste Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung 150, eine zweite Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung 160 und eine dritte Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung 170 auf.
Die erste Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung 110 erzeugt einen ersten Mittenlaserstrahl 115 und einen zweiten Mittenlaserstrahl 116, welche in der Darstellung von Fig. 1 entlang einer Richtung horizontal durch die Vakuumkammer 11 hindurchgehen. Hierzu dienen die entsprechenden Sichtfenster 30. Diese Mittenlaserstrahlen 115, 116 verlaufen dabei antiparallel zueinander und überlappen sich im Querschnitt, so dass sie in beiden Richtungen eine Laserkühlwirkung erzeugen können. Zur Erzeugung des ersten Mittenlaserstrahls 115 dient ein erster Laser 111.
Zur Erzeugung des zweiten Mittenlaserstrahls 116 dient ein zweiter Laser 112. Die erste Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung 150 erzeugt einen ersten Mantellaserstrahl 155 und einen zweiten Mantellaserstrahl 156. Diese sind wie gezeigt nicht mit einem runden Querschnitt, sondern mit einem ringförmigen Querschnitt ausgeführt, wobei sie die beiden Mittenlaserstrahlen 115, 116 beim Durchgang durch die Vakuumkammer 11 außenseitig umfassen. Zur Überlagerung der Mittenlaserstrahlen 115, 116 und der Mantellaserstrahlen 155, 156 dienen zwei halbtransparente Spiegel 105. Die beiden Mantellaserstrahlen 155, 156 sind dabei ebenfalls antiparallel zueinander und überlappen einander, so dass sie entlang ihrer Ausbreitungsrichtung in beiden Richtungen eine Kühlwirkung erzeugen. Zur Erzeugung des ersten Mantellaserstrahls 155 dient ein erster Laser 151. Zur Erzeugung des zweiten Mantellaserstrahls 156 dient ein zweiter Laser 152.
Die zweite Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung 120 und die zweite Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung 160 erzeugen entsprechende Laserstrahlen entlang einer vertikalen Achse. Ihre Komponenten sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet, welche im Vergleich zu den beschriebenen Bezugszeichen der ersten Laserstrahlerzeugungsanordnungen 110, 150 um einen Wert von 10 erhöht sind. Ebenso erzeugen die dritte Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung 130 und die dritte Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung 170 entsprechende Laserstrahlen in einer horizontalen Richtung, welche quer zu den beschriebenen Laserstrahlen 115, 116, 155, 156 steht. Die Bezugszeichen der dritten Laserstrahlerzeugungsanordnungen 130, 170 sind im Vergleich zu den beschriebenen Bezugszeichen der ersten Laserstrahlerzeugungsanordnungen 110, 150 um einen Wert von 20 erhöht. Es ist jedoch nur der vor der Vakuumkammer 11 angeordnete Teil davon sichtbar.
Insbesondere können die zweiten Laserstrahlerzeugungsanordnungen 120, 160 Laserstrahlen mit einer ersten zirkularen Polarisation erzeugen. Des Weiteren können insbesondere die ersten und dritten Laserstrahlerzeugungsanordnungen 110, 150, 130, 170 Laserstrahlen mit einer ersten, zur zweiten entgegengesetzten zirkularen Polarisation erzeugen. Dies hat sich als vorteilhaft bezüglich des Kühlens und Einfanges von Atomen erwiesen. Auch andere Ausführungen können jedoch verwendet werden, so können beispielsweise auch die ersten und die zweiten Laserstrahlerzeugungsanordnungen 110, 150, 120, 160 die gleiche zirkulare Polarisation erzeugen oder es können die zweiten und die dritten Laserstrahlerzeugungsanordnungen 120, 160, 130, 170 die gleiche zirkulare Polarisation erzeugen, wobei die jeweils verbleibenden
Laserstrahlerzeugungsanordnungen eine entgegengesetzte zirkulare Polarisation erzeugen können.
Insgesamt sind somit zwölf Laserstrahlen 115, 116, 125, 126, 135, 136, 155, 156, 165, 166, 175, 176 vorhanden, welche jeweils paarweise antiparallel zueinander verlaufen. Es ergeben sich drei zueinander quer stehende Richtungen, entlang welcher eine Kühlwirkung möglich ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Laserstrahlen 115, 116, 125, 126, 135, 136, 155, 156, 165, 166, 175, 176 in Fig. 1 dünner dargestellt sind als sie typischerweise in der Realität sind, um die Figur nicht zu überladen.
Durch die beschriebene Ausführung kann an einem zentralen Punkt, welcher mit Bezug auf Fig. 2 erläutert wird, und einer Umgebung dieses zentralen Punkts eine Ansammlung von Atomen erreicht werden, welche sehr stark gekühlt werden können. Zur Unterstützung dieser Wirkung dienen Magnetfelder, welche nachfolgend näher beschrieben werden.
Fig. 2 zeigt den Träger 20 und weitere Komponenten in einer Schnittansicht. Dabei ist zu sehen, dass die magnetooptische Falle 10 auch eine
Magnetfelderzeugungsvorrichtung 200 aufweist. Die Laserkühlvorrichtung 100 und die Umhüllung 12 sind in Fig. 2 nicht mehr eingezeichnet.
In der Vakuumkammer 11 und innerhalb des Trägers 20 ist ein zentraler Punkt 60 definiert. Durch diesen verläuft eine vorliegend vertikale Achse 50. Es sei erwähnt, dass die Achse 50 und der zentrale Punkt 60 Hilfsmittel zur Definition der geometrischen Verhältnisse sind und in einer typischen Vakuumkammer 11 nicht als solche zu sehen sind.
Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 200 weist eine erste Spule 210, eine zweite Spule 220, eine dritte Spule 230 und eine vierte Spule 240 auf. Die erste Spule 210 und die zweite Spule 240 bilden dabei ein erstes Spulenpaar. Die zweite Spule 220 und die dritte Spule 230 bilden ein zweites Spulenpaar. Die jeweiligen Spulenpaare sind als jeweiliges Anti-Helmholtz-Spulenpaar verschaltet. Stromflüsse durch die Spulen 210, 220, 230, 240 sind beispielsweise von oben nach unten gesehen bzw. mit zunehmender Nummer der Spule alternierend.
Die Spulen 210, 220, 230, 240 stellen jeweilige Ringmagnete dar. Die Spulenpaare bilden somit jeweilige Ringmagnetenpaare. Es sei erwähnt, dass anstelle von Spulen, welche mit elektrischem Strom ein Magnetfeld erzeugen, grundsätzlich alternativ auch Permanentmagnete, insbesondere ringförmige Permanentmagnete, verwendet werden können.
Wie gezeigt ist die erste Spule 210 radial außerhalb der zweiten Spule 220 angeordnet, wobei entlang der Achse 50 gesehen die erste Spule 210 und die zweite Spule 220 partiell überlappen. Zwischen der zweiten Spule 220 und der ersten Spule 210 ist ein erster Abstandshalter 26 angeordnet, welcher einen Abstand zwischen den beiden Spulen 210, 220 definiert.
Wie gezeigt ist die vierte Spule 240 radial außerhalb der dritten Spule 230 angeordnet, wobei entlang der Achse 50 gesehen die vierte Spule 240 und die dritte Spule 230 partiell überlappen. Zwischen der dritten Spule 230 und der vierten Spule 240 ist ein zweiter Abstandshalter 27 angeordnet, welcher einen Abstand zwischen den beiden Spulen 230, 240 definiert.
Die Spulen 210, 220, 230, 240 haben jeweils einen Querschnitt, welcher insbesondere quer zu einer jeweiligen, nicht eingezeichneten Spulenachse liegt und quer zur Achse 50 liegt. Die Achse 50 ist somit vorliegend eine gemeinsame Spulenachse der Spulen 210, 220, 230, 240.
In dem T räger 20 sind zwei äußere Ausnehmungen 22 für die erste Spule 210 und die vierte Spule 240 sowie zwei innere Ausnehmungen 23 für die zweite Spule 220 und die dritte Spule 230 ausgebildet. Die inneren Ausnehmungen 23 sind dabei radial weiter innenliegend zu den äußeren Ausnehmungen 22 angeordnet. Durch die eben beschriebene Magnetfelderzeugungsvorrichtung 200 kann in vorteilhafter Weise ein Magnetfeld erzeugt werden, welches die Wirkung der magnetooptischen Falle 10 deutlich besser unterstützt als bei Ausführungen gemäß dem Stand der Technik, bei welchen das zweite Spulenpaar nicht vorhanden ist.
Fig. 3 zeigt einen Verlauf eines Gradienten des erzeugten Magnetfelds in einer Ebene, welche quer zur Achse 50 liegt und in welcher sich der zentrale Punkt 60 befindet.
Dabei ist der Abstand d zum zentralen Punkt in Millimeter auf der horizontalen Achse angegeben, wobei hier zumindest in etwa eine Radialsymmetrie in der erwähnten Ebene vorliegt. Auf der vertikalen Achse ist der Gradient in G/cm angegeben. Des Weiteren sind Querschnitte des ersten Mittenlaserstrahls 125 und des ersten Mantellaserstrahls 165, welche von den zweiten Laserstrahlerzeugungsanordnungen 120, 160 erzeugt werden, eingezeichnet.
Der erste Mittenlaserstrahl 125 hat einen Laserstrahlradius, welcher seine im Querschnitt runde Ausdehnung definiert und einen ersten Radius r1 darstellt. Der erste Mantellaserstrahl 165 hat einen inneren Laserstrahlradius, welcher einen ausgesparten Bereich definiert und einen zweiten Radius r2 darstellt. Dieser ist etwas größer als der erste Radius r1. Der erste Mantellaserstrahl 165 hat ferner einen äußeren Laserstrahlradius, welcher seine äußere Umrandung definiert und einen dritten Radius r3 darstellt.
Wie gezeigt hat innerhalb des ersten Radius r1 der Gradient einen Wert innerhalb eines ersten Wertebereichs W1 , welcher vorliegend von 4,5 G/cm bis 5,5 G/cm reicht. Innerhalb des Bereichs zwischen dem zweiten Radius r2 und dem dritten Radius r3 hat der Gradient Werte innerhalb eines zweiten Wertebereichs W2, welcher vorliegend von 6 G/cm bis 60 G/cm reicht. Außerhalb des ersten Radius r1 ist der Gradient streng monoton steigend, d.h. er erhöht sich mit zunehmender Entfernung vom zentralen Punkt 60. Eine derartige Strukturierung des Magnetfelds kann insbesondere durch die Verwendung des zweiten Spulenpaars erreicht werden und hat sich als besonders vorteilhaft für eine magnetooptische Falle erwiesen.
Fig. 4 zeigt eine mögliche Erzeugung eines Mantellaserstrahls derart, dass er einen ausgesparten Bereich hat. Hierzu sind zwei Axicons 106, 107 vorhanden, welche so geformt sind, dass der hier beispielhaft gezeigte erste Mantellaserstrahl 155 sich zunächst aufspaltet, wodurch er einen sich aufweitenden ringförmigen Querschnitt erhält, und dann durch das zweite Axicon 107 wieder in einen parallelen Verlauf gebracht wird. Durch den bereits weiter oben erwähnten halbtransparenten Spiegel 105 wird ein von oben zugeführter erster Mittenlaserstrahl 115 eingekoppelt, wodurch sich das bereits mit Bezug auf Fig. 3 beschriebene Bild der Laserstrahlen im Querschnitt ergibt.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung Merkmale in Kombination beschrieben sein können, beispielsweise um das Verständnis zu erleichtern, obwohl diese auch separat voneinander verwendet werden können. Der Fachmann erkennt, dass solche Merkmale auch unabhängig voneinander mit anderen Merkmalen oder Merkmalskombinationen kombiniert werden können.
Rückbezüge in Unteransprüchen können bevorzugte Kombinationen der jeweiligen Merkmale kennzeichnen, schließen jedoch andere Merkmalskombinationen nicht aus.
Bezugszeichenliste magnetooptische Falle Vakuumkammer Umhüllung Sichtfenster Träger äußere Ausnehmung innere Ausnehmung Halterung erster Abstandshalter zweiter Abstandshalter Öffnung Ausnehmung Achse zentraler Punkt Laserkühlvorrichtung Spiegel erstes Axicon zweites Axicon erste Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung erster Laser zweiter Laser erster Mitten laserstrahl zweiter Mittenlaserstrahl zweite Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung erster Laser zweiter Laser erster Mitten laserstrahl zweiter Mittenlaserstrahl dritte Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung erster Laser zweiter Laser erster Mitten laserstrahl 136 zweiter Mittenlaserstrahl
150 erste Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung
151 erster Laser
152 zweiter Laser
155 erster Mantellaserstrahl
156 zweiter Mantellaserstrahl
160 zweite Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung
161 erster Laser
162 zweiter Laser
165 erster Mantellaserstrahl
166 zweiter Mantellaserstrahl
170 dritte Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung
171 erster Laser
172 zweiter Laser
175 erster Mantellaserstrahl
176 zweiter Mantellaserstrahl
200 Magnetfelderzeugungsvorrichtung
210 erste Spule
220 zweite Spule
230 dritte Spule
240 vierte Spule r1 erster Radius r2 zweiter Radius
G3 dritter Radius
W1 erster Wertebereich
W2 zweiter Wertebereich

Claims

Patentansprüche
1. Magnetooptische Falle (10), welche folgendes aufweist: eine Vakuumkammer (11 ), in der ein zentraler Punkt (60) definiert ist, eine Laserkühlvorrichtung (100) mit mindestens einer Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung (110, 120, 130) und mindestens einer Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung (150, 160, 170), wobei jede Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung (110, 120, 130) zur Erzeugung eines ersten Mittenlaserstrahls (115, 125, 135) und eines zweiten Mittenlaserstrahls (116, 126, 136) ausgebildet ist, welche antiparallel überlappend verlaufen sowie den zentralen Punkt (60) beinhalten, und wobei jede Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung (150, 160, 170) zur Erzeugung eines ersten Mantellaserstrahls (155, 165, 175) und eines zweiten Mantellaserstrahls (156, 166, 176) ausgebildet ist, welche antiparallel überlappend verlaufen, und eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung (200) wobei die Magnetfelderzeugungsvorrichtung (200) einen ersten Ringmagneten (210), einen zweiten Ringmagneten (220), einen dritten Ringmagneten (230) und einen vierten Ringmagneten (240) aufweist, wobei Querschnitte der Ringmagnete (210, 220, 230, 240) quer zu einer Achse (50) ausgerichtet sind, die durch den zentralen Punkt (60) verläuft, wobei der erste Ringmagnet (210) und der vierte Ringmagnet (240) ein erstes Ringmagnetenpaar zur Erzeugung eines Ausgangsmagnetfelds in der Vakuumkammer (20) bilden, und wobei der zweite Ringmagnet (220) und der dritte Ringmagnet (230) ein zweites Ringmagnetenpaar zur Erzeugung eines Kompensationsmagnetfelds bilden, welches das Ausgangsmagnetfeld in der Vakuumkammer (11 ) zumindest teilweise kompensiert.
2. Magnetooptische Falle (10) nach Anspruch 1 , wobei ein aus dem Ausgangsmagnetfeld und dem Kompensationsmagnetfeld resultierendes Magnetfeld in einer Ebene quer zur Achse (50), wobei sich in der Ebene der zentrale Punkt (60) befindet, in einem ersten Bereich bis zu einem ersten Radius (r1) einen Gradienten aus einem ersten Wertebereich (W1) aufweist und in einem zweiten Bereich zwischen einem zweiten Radius (r2) und einem dritten Radius (r3) einen Gradienten aus einem zweiten Wertebereich (W2) aufweist, wobei der erste Radius (r1 ) kleiner ist als der zweite Radius (r2), und der zweite
Radius (r2) kleiner ist als der dritte Radius (r3), und wobei der erste Wertebereich (W1) und der zweite Wertebereich (W2) nicht überlappen.
3. Magnetooptische Falle (10) nach Anspruch 2, wobei der erste Wertebereich (W1) Werte zwischen 4,5 G/cm und 5,5 G/cm umfasst, und/oder wobei der zweite Wertebereich (W2) Werte zwischen 6 G/cm und 60 G/cm umfasst.
4. Magnetooptische Falle (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei der erste Radius (r1) einem Laserstrahlradius mindestens eines Mittenlaserstrahls (115, 116, 125, 126, 135, 136) entspricht.
5. Magnetooptische Falle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der zweite Radius (r2) einem inneren Laserstrahlradius mindestens eines Mantellaserstrahls (155, 156, 165, 166, 175, 176) entspricht und wobei der dritte Radius (r3) einem äußeren Laserstrahlradius mindestens eines Mantellaserstrahls (155, 156, 165, 166, 175, 176) entspricht.
6. Magnetooptische Falle (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Gradient des resultierenden Magnetfelds zwischen dem zweiten Radius (r2) und dem dritten Radius (r3) in der Ebene mit zunehmendem Abstand vom zentralen Punkt (60) ansteigt.
7. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer Ebene quer zu jedem Mittenlaserstrahl (115, 116, 125, 126, 135, 136), in welcher der zentrale Punkt (60) liegt, die Mantellaserstrahlen (155, 156, 165, 166, 175, 176) ausschließlich umgebend um den Mittenlaserstrahl (115,
116, 125, 126, 135, 136) sind.
8. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein aus dem Ausgangsmagnetfeld und dem Kompensationsmagnetfeld resultierendes Magnetfeld, zumindest innerhalb der Ringmagnetenpaare, ein Quadrupolfeld ist.
9. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einer, einige oder alle Ringmagnete (210, 220, 230, 240) als elektrische Spule ausgebildet sind, und/oder wobei einer, einige oder alle Ringmagnete (210, 220, 230, 240) als ringförmiger Permanentmagnet ausgebildet sind.
10. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserkühlvorrichtung (100) dazu konfiguriert ist, die Mittenlaserstrahlen (115, 116, 125, 126, 135, 136) und die Mantellaserstrahlen (155, 156, 165, 166, 175, 176) gleichzeitig kontinuierlich zu erzeugen.
11. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Ringmagnet (210) und der vierte Ringmagnet (240) gleich weit vom zentralen Punkt (60) beabstandet sind, und/oder wobei der zweite Ringmagnet (220) und der dritte Ringmagnet (230) gleich weit vom zentralen Punkt (60) beabstandet sind.
12. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Ringmagnetenpaar ein Anti-Helmholtz-Spulenpaar bildet und/oder ein Magnetfeld entsprechend einem Anti-Helmholtz-Spulenpaar erzeugt, und/oder wobei das zweite Ringmagnetenpaar ein Anti-Helmholtz-Spulenpaar bildet und/oder ein Magnetfeld entsprechend einem Anti-Helmholtz-Spulenpaar erzeugt.
13. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Nulldurchgang des vom ersten Ringmagnetenpaar erzeugten Magnetfelds im zentralen Punkt (60) liegt, und/oder wobei ein Nulldurchgang des vom zweiten Ringmagnetenpaar erzeugten
Magnetfelds im zentralen Punkt (60) liegt, und/oder wobei ein Nulldurchgang eines aus dem Ausgangsmagnetfeld und dem Kompensationsmagnetfeld resultierenden Magnetfelds im zentralen Punkt (60) liegt.
14. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Ringmagnet (210) und der vierte Ringmagnet (240) den gleichen Durchmesser aufweisen, und/oder wobei der zweite Ringmagnet (220) und der dritte Ringmagnet (230) den gleichen Durchmesser aufweisen.
15. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Ringmagnet (210) einen größeren Durchmesser aufweist als der zweite Ringmagnet (220), und/oder wobei der vierte Ringmagnet (240) einen größeren Durchmesser aufweist als der dritte Ringmagnet (230).
16. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Ringmagnet (210) zumindest teilweise radial außerhalb des zweiten Ringmagneten (220) angeordnet ist, und/oder wobei der vierte Ringmagnet (240) zumindest teilweise radial außerhalb des dritten Ringmagneten (230) angeordnet ist.
17. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Ringmagnet (210) und der zweite Ringmagnet (220) entlang der Achse (50) gesehen teilweise überlappen, und/oder wobei der vierte Ringmagnet (240) und der dritte Ringmagnet (230) entlang der Achse (50) gesehen teilweise überlappen.
18. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei radial zwischen dem zweiten Ringmagneten (220) und dem ersten Ringmagneten (210) ein Abstandshalter (26) angeordnet ist, und/oder wobei radial zwischen dem dritten Ringmagneten (230) und dem vierten Ringmagneten (240) ein Abstandshalter (27) angeordnet ist.
19. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetooptische Falle (10) einen Träger (20) aufweist, welcher in der Vakuumkammer (11 ) angeordnet ist oder in welchem die Vakuumkammer (11 ) ausgebildet ist und in welchem für die Ringmagnete (210, 220, 230, 240) jeweilige Ausnehmungen (22, 23) und/oder Montagestellen ausgebildet sind.
20. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung (110, 120, 130) so angeordnet und ausgerichtet ist, dass die von ihr erzeugten Mittenlaserstrahlen (115, 116, 125, 126, 135, 136) die Achse (50) beinhalten.
21. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die magnetooptische Falle (10) ferner eine Atomquelle aufweist.
22. Magnetooptische Falle (10) nach Anspruch 21, wobei die Atomquelle zur Abgabe von Strontium-Atomen und/oder Ytterbium- Atomen ausgebildet ist.
23. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung (110, 120, 130) dazu ausgebildet ist, die jeweiligen Mittenlaserstrahlen (115, 116, 125, 126, 135, 136) mit einer Wellenlänge von 689 nm oder 556 nm zu erzeugen, und/oder wobei jede Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung (150, 160, 170) dazu ausgebildet ist, den jeweiligen Mantellaserstrahl (155, 156, 165, 166, 175, 176) mit einer Wellenlänge von 461 nm oder 399 nm zu erzeugen.
24. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserkühlvorrichtung (100) drei
Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnungen (110, 120, 130) aufweist und drei Mantellaserstrahlerzeugungsanordnungen (150, 160, 170) aufweist.
25. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserstrahlerzeugungsanordnungen (110, 120, 130, 150, 160, 170) so angeordnet und ausgerichtet sind, dass jeder Mittenlaserstrahl (115, 116, 125, 126, 135, 136) quer zu den anderen Mittenlaserstrahlen (115, 116, 125, 126,
135, 136) ausgerichtet ist.
26. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung (110, 120, 130) so angeordnet und ausgerichtet ist, dass der zentrale Punkt (60) mittig im jeweiligen Querschnitt jedes Mittenlaserstrahls (115, 116, 125, 126, 135, 136) angeordnet ist.
27. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserstrahlerzeugungsanordnungen (110, 120, 130, 150, 160, 170) so angeordnet und ausgerichtet sind, dass die von einer jeweiligen Mantellaserstrahlerzeugungsanordnung (150, 160, 170) erzeugten Mantellaserstrahlen (155, 156, 165, 166, 175, 176) parallel zu den von einer Mittenlaserstrahlerzeugungsanordnung (110, 120, 130) erzeugten Mittenlaserstrahlen (115, 116, 125, 126, 135, 136) sind und/oder diese im Querschnitt umgeben.
28. Magnetooptische Falle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vakuumkammer (11 ) eine Anzahl von Sichtfenstern (14) aufweist, und wobei jede Laserstrahlerzeugungsanordnung (110, 120, 130, 150, 160, 170) außerhalb der Vakuumkammer (11) angeordnet und ausgerichtet ist, so dass die von ihr erzeugten Laserstrahlen (115, 116, 125, 126, 135, 136, 155, 156, 165, 166, 175, 176) durch ein Sichtfenster (14) in die Vakuumkammer (11) eintreten.
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