Quanteneffekte in atomarer Nanofabrikation unter Verwendung von Lichtkräften

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der atomaren Nanofabrikation mit Lichtkräften im Quantenregime. In den vorangegangenen Arbeiten wurde für die nanostrukturierte Deposition neutraler Atome stets die klassisch beschreibbare induzierte Dipolkraft in weit verstimmten stehenden Lichtwellen verwendet. In exakt resonanten Lichtfeldern erwartet man aber klassisch keine Dipolkraft, da in diesem Fall der induzierte Dipol des Atoms und das Lichtfeld um 90 außer Phase schwingen. Quantenmechanisch befindet sich ein atomares Grundzustandswellenpaket, das sich in einem exakt resonanten Lichtfeld bewegt, in einer Superposition, die zu gleichen Teilen aus den Eigenzuständen des gekoppelten Systems, den so genannten dressed states besteht. Ist die Intensitätsverteilung des Lichtfeldes inhomogen, so erfahren die beiden dressed-state-Wellenpakete eine Kraftwirkung proportional zum Intensitätsgradienten, aber in entgegengesetzte Richtung. Während ein Teil zum Intensitätsmaximum gezogen wird, erfährt der andere Teil eine Kraftwirkung zum Intensitätsminimum. Verwendet man nun im atomaren Nanofabrikationsexperiment eine exakt resonante stehende Lichtwelle, führt dieser Effekt zu einer Halbierung der Periodizität der Nanostrukturen, so dass das für Zwei-Niveau Systeme gültige lambda/2 -Limit des konventionellen Schemas unterboten wird. Des weiteren zeigen die durchgeführten Experimente, dass die atomare Bewegung im resonanten Lichtfeld nicht nur durch die Kraftwirkung eines Intensitätsgradienten, sondern auch durch den Phasengradienten des Lichtfeldes am Knoten einer nicht perfekten stehenden Welle bestimmt wird.Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war die Herstellung exakt periodisch angeordneter ferrimagnetischer Nanostrukturen. Dafür wurde die Anlage so umgebaut, dass die Nanostrukturen jetzt unter definierten Ultrahochvakuumbedingungen wachsen können.Um die Proben anschließend in die Molekularstrahlepitaxieanlage der Arbeitsgruppe Schatz transferieren zu können musste sie entsprechend kompatibel gestaltet werden. Basierend auf dem klassischen, weitverstimmten Nanofabrikationsschema konnten in der Ultrahochvakuumanlage reine Proben mit Chromnanostrukturen hohen Kontrastes produziert werden. Anschließend gelang der Transport in die Molekularstrahlepitaxieanlage, wo anschließend eine Platinschicht auf den Nanostrukturen abgeschieden wurde. Leider haben technische Probleme in der Epitaxieanlage den thermischen Annealingprozess, der letztendlich zur ferrimagnetischen Phase des Chrom-Platin-Systems führen sollte, bislang verhindert.Für die Erzeugung strukturierter ferrimagnetischer Nanolegierungen, aber auch für andere mögliche Anwendungen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die deponierten Nanostrukturen ein hohes Kontrastverhältnis aufweisen, d.h. der Untergrund muss soweit wie möglich reduziert werden. Weit rotverstimmte stehende Wellen sind dafür besser geeignet, da die Form des Dipolpotentials, das die Fokussierung des Atomstrahls bestimmt, sehr viel harmonischer ist als im blauverstimmten Fall, obwohl der Einflussder spontanen Emission eher das Gegenteil vermuten ließe. Die experimentellen Untersuchungen zeigen, dass der Untergrund im rotverstimmten Fall auf 13% reduziert wird, was auch mit theoretischen Rechnungen sehr gut übereinstimmt