Ich hätte bis jetzt gerne mehr über meine Arbeit im Labor berichtet, aber es gab einfach kein präsentationswürdiges Ergebnis. Bis jetzt bestand die meiste Arbeit nur aus Design, Theorie und dem Kaufen von benötigten Komponenten. Am 08.10. konnte ich aber endlich das (Doppler-freie) Absorptionsspektrum der D2-Linie von 6Lithium-Gas in meiner gebauten Spektroskopiezelle sehen – ein Ergebnis, das ich eigentlich schon vor spätestens zehn Wochen erhalten wollte.

Das ist für die Wissenschaft kein großes Ding – das Bauen so einer Spektroskopiezelle ist eine Standardtechnik in Labors, die sich mit ultrakalten Lithium-Atomen beschäftigten. Eigentlich kann man das sehr schnell erledigen, wenn man es kann oder wenn man auf dem Weg dorthin gut angeleitet wird. Bei mir hat es aber leider sehr, sehr lange gedauert – viel zu lange.

Wir brauchen dieses Absorptionsspektrum, um aus diesem ein Fehlersignal zu generieren. Der Strom, die Temperatur etc. unseres Lasers ist stets kleinen Änderungen unterworfen – damit ändert sich auch stets die Frequenz seines Laserlichts ein bisschen. Wir brauchen aber einen frequenzstabilisierten Output, und das Fehlersignal wird dem Laser-Controller in Bruchteilen von Sekunden sagen, ob er dem Laser nun etwas mehr oder weniger Strom geben soll, ob er den Laserresonator vergrößern oder verkleinern soll. Um das zu erreichen, brauchen wir aber erst einmal Lithium-Gas, um das Spektrum zu erhalten.

Wie bekommen wir nun das Lithium-Gas her? Lithium ist ein ziemlich unhandliches Element. Zunächst einmal reagiert es mit Luft, Stickstoff, Wasser – und sogar mit Methanol, das wir in einem ersten Versuch benutzten, um es von Öl zu reinigen, da die festen Lithium-Stücke in einer Flasche voll Öl angeliefert wurden (das wiederum sehr ungesund für ein Vakuum ist). Es lagert sich auf Fenstern ab und macht sie für Laserstrahlen undurchdringbar. Und zudem muss es auf etwa 350 Grad Celsius erhitzt werden, um ein Gas mit einer brauchbaren Dichte zu bilden (der größte Teil des Lithiums ist dann noch flüssig). Wenn man nicht aufpasst und das Lithium zu lange der Luft aussetzt, dann bilden sich auf der Oberfläche des Lithium-Stücks oxidierte Verbindungen, die erst bei bis zu 1000 Grad flüssig werden. (in vollständig unoxidiertem Zustand ab 180 Grad)

Aufgrund dieser Komplikationen muss man sich so eine Spektroskopiezelle mit Lithium-Gas selbst bauen – im Gegensatz zu glaube ich allen anderen Elementen, die man in Labors der ultrakalten Atomphysik nutzt, deren Zellen man kommerziell erstehen kann. Das ist einfach ein längliches Stahlrohr, das in der Mitte erhitzt wird. Sie ist mit einer 0.1 mbar-Argon-Atmosphäre gefüllt (mittleres Vakuum), die die freie Weglänge der Lithium-Gas-Atome reduziert, sodass sie nicht die Fenster an den beiden Enden der Röhre angreifen. (diese wiederum sind für die Transmission des Laserlichts notwendig) So werden die Atome auf die vom Zentrum weg kälter und kälter werdenden Rohrwände geschleudert, wo sie erneut flüssig werden. Da die Oberflächenspannung der Lithium-Tropfen mit zunehmender Temperatur geringer wird, wandern sie allmählich zurück zum Zentrum, wo sie erneut gasförmig werden, etc.

Zunächst einmal hatte ich ein großes Schrauben-Problem. Ich konnte die einzelnen Teile des Rohres einfach nicht zusammenschrauben, da die Schraubengewinde kaputt gingen. Außerdem schleiften sich beim Festermachen deren Köpfe ab. Die vierte Art von Schrauben, die wir gekauft haben, funktionierte dann endlich. (obwohl es prinzipiell auch mit unserer ersten Art ging, wenn auch mit viel Zeit, Nerven etc. verbunden)

Der erste Versuch des Aufbaus einer Zelle scheiterte leider. Lithium wurde in einer Handschuhbox mit Argon-Atmosphäre eines anderen Labors in die Zelle eingeführt, es gab ein reinigendes Ausbacken der Zelle etc. Doch während irgendeinem Schritt kam das Lithium in zu viel Kontakt mit Luft, wodurch es für eine Verflüssigung zu oxidiert war.

Das zweite Mal baute ich, Tipps aus Heidelberg folgend, selbst eine Handschuhbox – aus normalen Mülltüten, einer Klarsichtfolie und eingeklebten Handschuhen. Nun funktioniert es. Und so hoffe ich, dass das Signal nun auch stabil bleiben wird und ich mich noch auf andere nötige Teile meiner Arbeit konzentrieren kann!