English Title: Experimental investigation of Berry's geometric phase in metastable helium using an atomic beam spin echo interferometer

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Abstract

Diese Arbeit beschreibt die erste systematische experimentelle Untersuchung geometrischer Berry-Phasen in Heliumatomen im metastabilen 2S-Triplettzustand. Zu diesem Zweck wurde ein neuartiges Atom-Interferometer konstruiert, aufgebaut und sorgfältig charakterisiert. Basierend auf der etablierten Atomstrahl-Spinecho-Technik, ermöglicht das Interferometer die kontrollierte Manipulation und den hochpräzisen Nachweis dynamischer und geometrischer Phasen. Dabei stellt das metastabile Heliumatom ein isoliertes, reines Spin-1-Quantensystem dar. In unterschiedlichen Experimenten werden Berry-Phasen sowohl gemischt mit dynamischen Phasen, als auch als pure geometrische Phasen präpariert. In der ersten rein-geometrischen Spinrotation ohne dynamischen Phasenanteil ist es gelungen die Berry-Phase kontinuierlich zwischen 0 und 4π zu variieren.

Translation of abstract (English)

In this thesis, the first systematic experimental investigation of geometric Berry phases induced in helium atoms in their metastable 2S triplet state is presented. For these studies a novel atom interferometer was designed, constructed and carefully characterized. Based on the well-established atomic beam spin echo technique, the interferometer allows the controlled manipulation and detection of dynamic and geometric phases with high precision. Herein, the helium atom represents an isolated and pure spin-1 quantum system. Berry phases are prepared in different experiments, both mixed with dynamic phases and as net geometric phases. In the first spin rotation of purely geometrical character, i.e. without contributions of a dynamic phase, the Berry phase can be varied continuously between 0 and 4π.