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Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 1

Kalte Atome

Die kälteste Materie im Universum

Gerhard BirklInstitut für Angewandte PhysikTechnische Universität Darmstadt


Niedrigste jemals auf der Erdein natürlicher Umgebung gemessene Temperatur:

- 89 °C (21. Juli 1983)

Vostok, Antarktis

Quelle: www.antarcticconnection.com

Was ist kalt?


Was ist Temperatur?

Ein Maß für den Energieinhalteines Körpers

Gibt es eine bevorzugte Temperaturskala?

Alle Skalen in gleichberechtigt,aber abhängig von der Anwendungsind manche geeigneter als andere.

Was passiert am absoluten Nullpunkt?

Extrem spannende Physik !!

Quelle: physik05.hs-niederrhein.de

Temperaturskalen


Auf der Erde: 184 K = - 89 °C

Vostok, Antarktis

Im Sonnensystem: 38 K

Triton (größter Mond des Neptun)

Im Universum: 2,73 K

Hintergrundstrahlung desinterstellaren Raumes

Die niedrigsten natürlich vorkommenden Temperaturen


Kälter als in der Naturwird es in einemPhysik-Labor!

Kälter als in der Natur …


Sonnenoberfläche

gefrierendes Wasser

flüssiges Helium

‘Bose-Einstein Kondensation’

Temperatur

100 °C = 373,15 K0 °C = 273,15 K

1 mK

100 milliardstel Kelvin = 100 nK

Entmagnetisierung10 millionstel Kelvin = 10 μK

kochendes Wasser

5800 K

Laserkühlung1 millionstel Kelvin = 1 μK

Flüssiger StickstoffSupraleitung

77 K10 K

Temperatur


Sonnenoberfläche

gefrierendes Wasser

flüssiges Helium

‘Bose-Einstein Kondensation’

Geschwindigkeit

2000 m/s

0 °C = 273,15 K

1 mK

100 milliardstel Kelvin = 100 nK

Entmagnetisierung10 millionstel Kelvin = 10 μK

kochendes Wasser

5800 K

Laserkühlung1 millionstel Kelvin = 1 μK

Temperatur

100 °C = 373,15 K500 m/s

1 m/s

3 cm/s

700 m/s

1 cm/s

10 cm/s

HTML - Animationen: www.colorado.edu/physics/2000/index.pl

250 m/s100 m/s

Flüssiger StickstoffSupraleitung

77 K10 K

Temperatur und Atombewegung


Laser - Materialbearbeitung

Laserpointer

Lasershow

Anwendung von Laserlicht


Laser - Materialbearbeitung

Lasershow

Aber wie kannman mit Laser-licht kühlen?

Kühlen mit Laserlicht?


Ein Lichtstrahl kann bei Streuung einen Impuls aufAtome und Festkörper übertragen:

Impulsübertrag durch Licht


Ein Lichtstrahl kann bei Absorption gezielt einen Impulsauf Atome übertragen, um sie abzubremsen:

Impuls: pLicht = h/λ pAtom = mv

Lichtstrahl Atom

Abbremsen von Atomen mit Laserlicht

Quelle: www.colorado.edu/physics/2000


Jedes chemische Element besitzt spezifische diskrete Absorptions- und Emissionswellenlängen:

Natrium

Helium

Quecksilber

Wasserstoff

Neon

Linienspektrum von chemischen Elementen


Absorption und Emission Magneto-optische Falle (MOT)

Einsatz von 3 Laserstrahlpaarenerlaubt Kühlung und Einfang von Atomen in allen drei räumlichen Dimensionen:

Kalte Atome

Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht


Absorption und Emission



Niedrigste Temperaturdurch Laserkühlung

T = 1 μK

Kris HelmersonT > 300 K

Natrium-AtomeT = 200 μK

NIST



Nobelpreis für das Kühlen und Fangen mit Laserlicht

Quelle: www.nobelprize.org


Räumlicher Verlauf derMagnetfeldstärke in einerMagnetfalle

Kalte Atome werden im Minimum des Magnetfeldes gespeichert.

Noch kälter als mit Licht: Kühlen in Magnetfallen



Absenken der Fallentiefeführt zu Entfernen der energiereichsten Atome

Verdampfung führt zu einer weiteren Kühlung der Atome.

Noch kälter als mit Licht: Verdampfungskühlung



Noch kälter als mit Licht: Verdampfungskühlung

Verdampfung führt zu einer weiteren Kühlung der Atome.



Expansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur.

TT≤≤(100(100±±30)nK30)nK

TT≤≤(260(260±±3030)nK)nKTT≤≤(240(240±±30)nK30)nK

TT≤≤(160(160±±30)nK30)nKTT≤≤(140(140±±30)30) nKnK

TT<(400<(400±±30)30)nKnK

100 µm

Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl

Temperatur nach der Verdampfungskühlung


TT≤≤(100(100±±30)nK30)nK

TT≤≤(260(260±±3030)nK)nKTT≤≤(240(240±±30)nK30)nK

TT≤≤(160(160±±30)nK30)nKTT≤≤(140(140±±30)30) nKnK

TT<(400<(400±±30)30)nKnK

100 µm

Verhalten sich diese Atomenoch wie einnormales Gas?


Temperatur nach der VerdampfungskühlungExpansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur.



TT≤≤(100(100±±30)nK30)nK

TT≤≤(260(260±±3030)nK)nKTT≤≤(240(240±±30)nK30)nK

TT≤≤(160(160±±30)nK30)nKTT≤≤(140(140±±30)30) nKnK

TT<(400<(400±±30)30)nKnK

100 µm

Atomverhalten nach der VerdampfungskühlungNEIN ! Die Atome bilden ein Bose-Einstein-Kondensat !!


Bose-Einstein-Kondensation - Theorie: 1925

Bose-Einstein-Kondensation


Quelle: W. Ketterle (MIT)

Was ist Bose-Einstein-Kondensation (BEC)?

Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 25TU Darmstadt

T ≈ TC

T < TCT < TC

Nachweis der Bose-Einstein-Kondensation

Bose-Einstein-Kondensat an der TU Darmstadt (www.iap.tu-darmstadt.de/apq)

<


Normales Licht Laserlicht

beugungsbegrenzt (gerichtet)kohärenteine große Welleeine Mode (monochromatisch)

divergentinkohärentviele einzelne Wellenviele Moden Q

uelle: W. Ketterle (MIT)

Vergleich: Normales Licht - Laserlicht


Normales Gas Bose-Einstein-Kondensat

beugungsbegrenzt (gerichtet)kohärenteine große Welleeine Mode (monochromatisch)

divergentinkohärentviele einzelne Atomeviele Moden

Atome sind unabhängig Atome bewegen sichgleichförmig


Vergleich: Normales Gas – Bose-Einstein-Kondensat


Nobelpreis für die Bose-Einstein-Kondensation

Quelle: www.nobelprize.org


K. Bongs, S. Burger, G. Birkl, K. Sengstock, W. Ertmer, K. Rzazewski, A. Sanpera und M. Lewenstein, Phys. Rev. Lett. 83, 3577 (1999).

Eigenschaften: Kondensate verhalten sich wie Wellen


Zwei überlagerte Laserstrahlen zeigen InterferenzInterferenzstreifen

Lichtstrahlen verhalten sich wie Wellen

Interferenz von zwei optischen Wellen


Zwei Bose-Einstein-Kondensate zeigen InterferenzEigenschaften: Interferenz von BECs

Interferenz von Bose-Einstein-Kondensaten an der TUD

Bose-Einstein-Kondensate verhalten sich wie Wellen


Wirbelsturm

Wasserstrudelin einem Glas

Rotation von Medien: Strudel und Vortices


Bose-Einstein-Kondensate zeigenquantisierte Rotation.

- 2D Vortexlinienmuster- Rotation wird nichtgedämpft!

Eigenschaften (BEC): Vortices und Superfluidität



Eigenschaften (BEC): Rotierende Kondensate


Anwendungen: Atomlaser


Kalte Atome ermög-lichen genauereUhren. Denn: langsame Atomekönnen längergemessen werden.

Cäsium-AtomuhrPTB Braunschweig

Anwendungen: Zeitmessung und Atomuhren


GPS / GALILEO beruhen auf genauen Uhren auf Satelliten und in Bodenstationen.

Kalte Atome ermög-lichen genauereUhren.Genauere Uhrenverbessern die Navigation.

Anwendungen: Positionsbestimmung – GPS/GALILEO


Vielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren klassischen Systemen als Speichermedium für Bits

Klassischer Computer

Beispiel: Speicherchip

Jeder Speicherplatz trägt die Information 0 oder 1.

Vergleich mit Klassischem Computer


Vielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren Quantensystemen als Speichermedium für Quantenbits

Quantencomputer

Beispiel: Quantenspeicher

Speicher besteht aus zwei-dimensionaler Anordnung von fokussierten Laserstrahlen.

Jeder Speicherplatz enthält ein einzelnes lasergekühlten Atom, das die Information trägt – und zwar mehr Information als nur 0 oder 1.

Anwendungen: Quantencomputer


|0 |1|0 +|1 |0 +|1

Quantencomputer

Beispiel: Quantenspeicher

Adressierung jedesSpeicherplatzes ist möglich.

Anwendungen: QuantencomputerVielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren Quantensystemen als Speichermedium für Quantenbits

www.iap.tu-darmstadt.de/apq


Antwort:

Guinness-Buch der Rekorde

Frage:

Ist ein Bose-Einstein-Kondensat wirklichdie kälteste Materie im Universum?

Die kälteste Materie im Universum?


T = 450 pKT = 450 billionstel KelvinT = 0,000 000 000 450 K

Die kälteste Materie im Universum!


• Die kälteste Materie im Universumexistiert in Physik-Laboren.

• Bose-Einstein-Kondensate sind Quantenobjekte mit Temperaturenbis hinunter zu weniger als 1 milliardstel Kelvin (1 nK) über demabsoluten Nullpunkt (derzeit!).

• Bose-Einstein-Kondensate sind wichtige Objekte für Grundlagen-forschung in der Quantenphysik und deren Anwendung.

Zusammensfassung

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