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Offene Stellen: Abschlussarbeiten

In der AG Widera sind sowohl Diplom-, Bachelor-, Master- als auch Doktorarbeiten zu vergeben. Auch Schnupperpraktika für interessierte Studenten sind möglich. Einige verfügbare Diplomarbeitsthemen und Praktikumsprojekte sind unten aufgeführt. Bei Interesse wenden Sie sich bitte an Prof. Artur Widera [widera(at)physik.uni-kl(dot)de].

Mögliche Projekte für Doktorarbeiten lehnen sich an die Forschungsziele der Arbeitsgruppe an. Bei Interesse wenden Sie sich bitte an Prof. Artur Widera [widera(at)physik.uni-kl(dot)de].


Bachelorarbeit

Beispiel eines Laseraufbaus: MBR Ring Laser

Aufbau und Untersuchung eines Systems zur aktiven Strahlstabilisierung

Laser jeder Bauart sind die Arbeitspferde zur Kühlung, zum Fangen und Detektieren von Atomen bei ultrakalten Temperaturen. Die komplexen Optikaufbauten sind jedoch empfindlich gegenüber mechanischen und thermischen Einflüssen in der Umgebung, sodass der Laboralltag eines Atomphysikers leider immer wieder aus manueller und zum Teil langwieriger Neuausrichtung von Optikkomponenten besteht.

Ein System, das die Optiken automatisch nachjustiert, wenn Schwankungen auftreten, könnte unser Leben daher wesentlich vereinfachen und uns mehr Zeit für die Atomphysik lassen.

Als Bachelor-Studierender würden Sie ein bereits vorhandenes kommerzielles System zur Strahlstabilisierung mit adaptiven Optiken, Sensoren und Regelelektronik in Betrieb nehmen und testen. Eine Integration der Stabilisierung ins Bosonen-Experiment der Arbeitsgruppe ist denkbar, um den Aufbau unter Laborbedingungen zu testen.

Diplomarbeit

Künstliche Moleküle in einem fermionischen System unter Ausnutzung von Feshbachresonanzen Phys. Rev. Lett. 102, 230402 (2009)

Entwicklung einer Magnetfeldsteuerung zum Treiben von Feshbach-Resonanzen

Die Wechselwirkung und Streuung von Atomen bei ultrakalten Temperaturen kann durch sogenannte Feshbach-Resonanzen fast beliebige Werte erreichen. Die Resonanz tritt ein, wenn das Wechselwirkungspotential zweier stoßender Atome einen gebundenen Zustand erlaubt. Mit Hilfe von Magnetfeldern (Zeemaneffekt) kann das Wechselwirkungspotential eingestellt und damit eine Feshbachresonanz künstlich hervorgerufen werden. Dies erlaubt bei ultrakalten Temperaturen beispielsweise die Erzeugung künstlicher Moleküle oder die Erhöhung der Bindungsenergie zwischen verschiedenen atomaren Spezies.

Hierzu müssen die verwendeten Magnetfelder präzise gesteuert und kontrolliert werden, was zum Teil eine aktive Magnetfeldstabilisierung, Elektronik zum schnellen Schalten und den Aufbau eines Batteriesystems als stabile Stromversorgung verlangt. Der Inhalt der Diplomarbeit umfasst zunächst eine Auslegung und Entwicklung des Steuersystems, um Feshbach-Resonanzen zwischen Rubidium und Cäsium treiben zu können.

Hierfür suchen wir einen/eine Diplomand/-in mit Freude an raumfüllenden Experimenten und ohne Berührungsängste mit Elektronik. Die Arbeit wird vom Boson-Lab Team betreut.

Diplomarbeit

Treiben von Hyperfeinzuständen in Cäsium mit Hilfe von Mikrowellen. Abb: F. Kindermann

Mikrowellensystem zur kohärenten Zustandspräparation von wenigen und einzelnen Cäsiumatomen

Cäsiumatome sind die Grundlage für die Definition unserer Zeit. Eine Sekunde ist definiert als das 9 192 631 770-fache der Periodendauer des Hyperfeinstrukturübergangs des Grundzustandes von Cäsium-133 Atomen.

Der genannte Übergang lässt sich mit Hilfe von Mikrowellenspektroskopie vermessen und erlaubt so immer wieder eine Überprüfung des Frequenzstandards. Äußere Einflüsse wie Magnetfelder, optische Dipolfallen oder die Wechselwirkung mit Atomen in der Umgebung beeinflussen die Energieniveaus des Übergangs jedoch und können mit hoher Präzision bestimmt werden. Die Diplomarbeit beschäftigt sich daher mit dem Zusammenbau und Testen eines vorhandenen Mikrowellensystems und der Implementierung des Cäsium - Spektroskopieaufbaus ins Experiment.

Als Diplomand/-in können Sie mit diesem Projekt Atomphysik in ihrer (fast) reinsten Form erleben und betreiben. Wir freuen uns auf Sie.

Diplomarbeit

Aufbau und Charakterisierung einer Atomstrahlquelle

Kalte Atome im Temperaturbereich unter 100 µK sind der Ausgangspunkt zur Erzeugung entarteter Quantengase, wie zum Beispiel eines Bose-Einstein Kondensats. Eine große Menge kalter Atome kann mit lasergekühlten Atomstrahlen zur Verfügung gestellt werden.

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine Quelle ultrakalter Atome aufzubauen und zu charakterisieren. Dazu gehört das Erzeugen eines Ultrahochvakuums, der Aufbau eines Lasersystems für die Laserkühlung, und der Betrieb und die Charakterisierung der Atomstrahlquelle. Die Diplomarbeit wird eng im Team betreut und hat starken Überlap mit dem Aufbau des Hauptexperimentes, in dem ein Quantengas erzeugt werden soll.

Im Rahmen der Arbeit soll sich der Diplomand in die Grundlagen der Laserkühlung und Quantengase einarbeiten. Die experimentellen Methoden beinhalten neben Vakuum- und Lasertechnik auch Grundlagen der Optik und Elektronik, sowie in geringem Maß Meßtechnik. Tiefere Vorkenntnisse auf diesen Gebieten sind nicht nötig, aber das Interesse sich in die verschiedensten Gebiete der experimentellen Quantenphysik einzuarbeiten.

Diplomarbeit

(a) Fluoreszenzabbildung von acht Cäsiumatomen gefangen in einem optischen Gitter (Bild: M. Karski, Univ. Bonn). (b) Absorptionsabbildung eines Rubidium Bose-Einstein Kondensats mit ausgekoppeltem Atomlaser (Bild: N. Spethmann, Univ. Bonn)

Detektionssysteme für neutrale Atome: Vom Quantengas zum einzelnen Atom

Quantengase und einzelne neutrale Atome eignen sich hervorragend, um Quantenphysik in einem sehr kontrollierbaren System zu realisieren und zu untersuchen. Informationen werden über sogenannte Absorptionsabbildung für Quantengase und Fluoreszenzabbildung für einzelne Atome gewonnen. Während im ersten Fall der Absorptionsabbildung der Schatten des Quantengases auf einer empfindlichen Kamera abgebildet wird, werden im Fall einzelner Atome die von einem angeregten Atome in die Kamera gestreuten Photonen detektiert.

Das Ziel der Arbeit ist es, für beide Systeme ein eigenes Abbildungssystem, bestehend aus schmalbandiger Laserquelle, Faserstrecke, Detektionsoptik (Mikroskopobjektiv) und hochempfindlicher Kamera aufzubauen. Dafür müssen die entsprechenden Diodenlaser aufgebaut und mit Hilfe einer Spektroskopie auf eine geeignete atomare Linie stabilisiert werden. Der Abbildungsstrahlengang muss simuliert und konstruiert werden, um die gewünschten Abbildungseigenschaften (Vergrößerung, etc.) zu erreichen. Nach einem Test des Systems sollen die Abbildungssysteme in das entstehende Experiment integriert werden.

Im Rahmen der Arbeit soll sich der Diplomand in die Grundlagen der Quantengase und Atom-Licht-Wechselwirkung einarbeiten. Die verwendeten Methoden beinhalten Optik und Lasertechnik, sowie Bildverarbeitung und am Rande Softwareentwicklung zur Ansteuerung Kameras und Verarbeitung der Bilder. Tiefere Vorkenntnisse auf diesen Gebieten sind nicht nötig. Wichtig ist aber das Interesse und die Bereitschaft, sich in die verschiedensten Gebiete der experimentellen Quantenphysik und Quantengase einzuarbeiten.

Diplomarbeit

Lasersystem zur Erzeugung optischer Dipolfallen.

Elementspezifische optische Fallen

Bei ultrakalten Temperaturen fast am absoluten Nullpunkt müssen neutrale Atome in ganz speziellen Fallen gehalten werden. Solche Fallen können ähnlich zu optischen Pinzetten aus der Biophysik mit Hilfe von Laserlicht erzeugt werden.

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, sogenannte speziesselektive optische Fallen zu bauen. Diese Fallen fangen eine atomare Speizies, sind aber effektiv unsichtbar für ein anderes Element. Die Selektivität wird erreicht, indem die Energiestruktur der verwendeten Elemente ausgenutzt wird. Dazu gehört die Berechnung der geeigneten Wellenlänge unter Berücksichtigung der atomaren Levelstruktur, die Konstruktion des Strahlenganges am Hauptexperiment sowie der Aufbau und Test der optischen Falle an den verwendeten ultrakalten Atomen. Die Diplomarbeit ist eng in das Hauptexperiment integriert und wird im Team betreut.

Im Rahmen der Arbeit soll sich der Diplomand in die Grundlagen der dispersiven Atom-Licht-Wechselwirkung und der Gaußschen Strahlenoptik einarbeiten und an einem realistischen System berechnen. Die experimentellen Methoden beinhalten moderne Lasertechnik und Optik, sowie Elektronik und Meßtechnik. Tiefe Vorkenntnisse sind nicht nötig, eher die Bereitschaft sich in die Themen und Methoden der experimentellen Quantenphysik einzuarbeiten.

Diplomarbeit

Kühlung einzelner Atome

Einzelne Atome bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt sind ein hervorragendes und gut kontrollierbares Modellsystem, um Quantenphysik experimentell zu untersuchen. 

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einzelne Atome auf ultrakalte Temperaturen abzukühlen. Die verwendeten Methoden reichen von Laserkühlung in verschiedenen Stufen bis hin zur Verwendung eines Quantengases als Kältebad. Dazu gehört der Aufbau eines Lasersystems zur Laserkühlung, dessen Integration in ein bestehendes Quantengasexperiment, sowie der Aufbau und die Charakterisierung einer Mikrowellenquelle, um Hyperfeinübergänge im Grundzustand zu treiben (Atomuhrexperimente). Die Arbeit beginnt daher als unabhängiges Projekt und wird im Laufe der Zeit immer enger in das bestehende Experiment integriert. Die Betreuung erfolgt eng im Team.

Im Rahmen dieser Arbeit soll sich der Diplomand in die Grundlagen der Laserkühlung und Quantengase einarbeiten. Die experimentellen Methoden beinhalten neben Lasertechnik und Optik vor allem auch Hochfrequenztechnik im Mikrowellenbereich. Vorkenntnisse auf diesen Gebieten sind nicht erforderlich, vielmehr die Bereitschaft, sich in die Themen und Methoden der experimentellen Quantenphysik einzuarbeiten.


Schnupperpraktikum

Diodenlaser mit externem Resonator. (Bild: T. Weikum)

Aufbau und Charakterisierung eines Diodenlasers

Diodenlaser sind das wichtigste “Arbeitspferd” quantenoptischer Experimente. Ihre Wellenlänge muß abstimmbar und spektral sehr stark eingeschränkt werden. In diesem Projekt wird dazu ein sogenannter ECL (External Cavity Laser) aus vorhandenen Komponenten aufgebaut. Temperatur- und Stromregelung erlauben die präzise Wellenlängen-Kontrolle. Die Arbeit wird mit einem einfachen spektroskopischen Experiment abgreschlossen. Ein kurzer Abschlußbericht wird erwünscht.

Umfang Insgesamt 8...10 Wochen: 2 Wochen Einarbeitung, 5...6 Wochen Experimentieren, 1...2 Wochen Schreiben eines Berichtes
Betreuung In den Laboren der AG Widera
Literatur Optik, Licht und Laser, D. Meschede, Teubner-Vieweg 2008, Kap. 9. Spezifische Literatur auf Anfrage

Praktikum

Strahlengang in einer Polarisationsspektroskopie an Cäsium (Bild: F. Kindermann)

Spektroskopie und Laserstabilisierung

Diodenlaser sind eine der wichtigsten Laserquellen für quantenoptische Experimente. Die Wechselwirkung zwischen Laserlicht und der zu untersuchenden Atomsorte kann sehr präzise in spektroskopischen Aufbauten untersucht werden. Diese Aufbauten dienen gleichzeitig dazu, die Laserquelle, und damit die emittierte Laserfrequenz, gegen Störungen durch Vibrationen von Außen zu stabilisieren.

In diesem Praktikum soll dazu eine dopplerfreie Spektroskopie an einem Alkaligas mit Hilfe eines vorhandenen Diodenlasers aufgebaut und zur elektronischen Stabiliserung der Laserwellenlänge in einer Regelschleife verwendet werden. Ein kurzer Abschlußbericht wird erwünscht.

Umfang Insgesamt 8...10 Wochen: 2 Wochen Einarbeitung, 5...6 Wochen Experimentieren, 1...2 Wochen Schreiben eines Berichtes
Betreuung In den Laboren der AG Widera
Literatur Optik, Licht und Laser, D. Meschede, Teubner-Vieweg 2008, Kap.11. Spezifische Literatur auf Anfrage