Bose-Einstein condensation of metastable helium-4 for quantum entanglement experiments

Gegenstand dieser Arbeit ist die experimentelle Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats (BEK) mit Helium-4 Atomen. Wegen der elektronischen Struktur des Helium-Atoms müssen die standard Einfangstechniken der neutralen Atomen gegenüber anderer atomaren Spezies angepasst werden, um das Bose-Einstein Kondensat aus Helium zu erzeugen. Helium muss in den metastabilen Zustand angeregt werden, dann wird der Atomstrahl kollimiert und abgebremst. Wir fangen ca. 1e9 Atome in einer magneto-optischen Falle. Um die Atome weiter kühlen zu können, werden sie in eine reine magnetische Falle übertragen. Doppler-Kühlung kühlt die Atome in der Magnetfalle weiter, und erhöht die Phasenraumdichte. Der entartete Quantenzustand wird durch Verdampfungskühlung der Helium Atome erreicht. Der Übergang zum BEK findet bei ca. T_c=1.4 uK statt und meistens erzeugen wir Kondensate mit ein paar 1e6 Atomen. Im Vergleich zu den anderen Atomsorten hat metastabiles Helium eine einzigartig hohe interne Energie (19.8 eV), die für eine Detektion von einzelnen Atomen ausgenutzt werden kann. Ein Detektor, der diese hohe Energie ausnutzt, besteht aus Mikrokanalplatte in Kombination mit einer Verzögerungsleitung. Wir haben einen solchen Detektor in unserer Vakuumkammer erfolgreich eingebaut, und haben damit die Atomwolke charakterisiert. Der Detektor kann die Atome mit hoher Effizienz aufzeichnen und im Vergleich zu anderen Helium Experimenten hat er die höchste Auflösung. Bestehend aus vier Quadranten mit unabhängiger Ausleseelektronik, die die Aufzeichnung von gleichzeitgen Ereignissen ermöglichen, ist der Detektor besonders für Experimente, die analog zum Feld von Quantenoptik realisiert werden, geeignet. Ein Musterbeispiel ist die Erzeugung von verschränkten Teilchen im Impuls Freiheitsgrad. Der vorgestellte experimentelle Vorgang in dieser Dissertation stellt einen wichtigen Schritt in der Herstellung von Impulsverschränkten Atomen dar. Dieser Aufbau wird den Weg für Materiewellen Experimente, die die Besonderheiten der Quantenkorrelationen ausnutzen, bahnen. Wir erwarten, dass unserer Aufbau eine direkte Demonstration von Impulsverschränkung im Sinne des Gedankenexperiments von Einstein, Podolski und Rosen ermöglicht.In this thesis, I report on the realisation of a Bose-Einstein condensate (BEC) of metastable helium-4 atoms. Due to the electronic structure of helium atoms, standard trapping techniques of neutral atoms have to be adapted to generate a helium BEC. Helium has to be excited to its metastable state in a dc-discharge source, afterwards the atomic beam is collimated and slowed. We then trap several 1e8 atoms in a magneto-optical trap. For subsequent evaporative cooling, the atoms are transferred into a magnetic trap. In the magnetic trap Doppler cooling reduces further the temperature of the cloud and increases its phase-space density. Degeneracy is achieved after forced radio-frequency evaporation. The transition to the BEC occurs around a temperature of T_c=1.4 uK and we routinely produce condensate consisting of typically a few 1e6 atoms. Compared to all other atomic species metastable helium has an extraordinarily large internal energy (19.8 eV) which can be used for single-atom detection. A detector that utilises energy from impinging particles is called a microchannel-plate detector. Such a detector was installed in the system and was used for characterisation of our cloud. It can detect helium atoms with high efficiency and state-of-the-art resolution. Consisting of four quadrants with independent read-out electronics that allow for true simultaneous detection of atoms, the detector is especially suited to perform experiments with ultra-cold atoms that are analogue to quantum optics experiments. One of these would be generation of momentum entangled atoms. The experimental steps presented in this thesis represent a significant step towards production of momentum entangled atoms that will pave the way to matter-wave experiments exploiting the peculiarities of quantum correlations. We expect our setup to allow for the direct demonstration of momentum entanglement in a scenario equivalent to the Einstein, Podolsky and Rosen gedankenexperiment