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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
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Niedrigste jemals auf der Erdein natürlicher Umgebung gemessene Temperatur:
- 89 °C (21. Juli 1983)
Vostok, Antarktis
Quelle: www.antarcticconnection.com
Was ist kalt?
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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
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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
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Kälter als in der Naturwird es in einemPhysik-Labor!
Kälter als in der Natur …
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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
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Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 7
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
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Laser - Materialbearbeitung
Laserpointer
Lasershow
Anwendung von Laserlicht
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Laser - Materialbearbeitung
Lasershow
Aber wie kannman mit Laser-licht kühlen?
Kühlen mit Laserlicht?
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Ein Lichtstrahl kann bei Streuung einen Impuls aufAtome und Festkörper übertragen:
Impulsübertrag durch Licht
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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
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Jedes chemische Element besitzt spezifische diskrete Absorptions- und Emissionswellenlängen:
Natrium
Helium
Quecksilber
Wasserstoff
Neon
Linienspektrum von chemischen Elementen
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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
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Absorption und Emission
Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht
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Niedrigste Temperaturdurch Laserkühlung
T = 1 μK
Kris HelmersonT > 300 K
Natrium-AtomeT = 200 μK
NIST
Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht
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Nobelpreis für das Kühlen und Fangen mit Laserlicht
Quelle: www.nobelprize.org
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Räumlicher Verlauf derMagnetfeldstärke in einerMagnetfalle
Kalte Atome werden im Minimum des Magnetfeldes gespeichert.
Noch kälter als mit Licht: Kühlen in Magnetfallen
Quelle: www.colorado.edu/physics/2000
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Absenken der Fallentiefeführt zu Entfernen der energiereichsten Atome
Verdampfung führt zu einer weiteren Kühlung der Atome.
Noch kälter als mit Licht: Verdampfungskühlung
Quelle: www.colorado.edu/physics/2000
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Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 19
Noch kälter als mit Licht: Verdampfungskühlung
Verdampfung führt zu einer weiteren Kühlung der Atome.
Quelle: www.colorado.edu/physics/2000
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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
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Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 21
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?
Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl
Temperatur nach der VerdampfungskühlungExpansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur.
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Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 22
Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl
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 !!
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Bose-Einstein-Kondensation - Theorie: 1925
Bose-Einstein-Kondensation
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Quelle: W. Ketterle (MIT)
Was ist Bose-Einstein-Kondensation (BEC)?
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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)
<
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Normales Licht Laserlicht
beugungsbegrenzt (gerichtet)kohärenteine große Welleeine Mode (monochromatisch)
divergentinkohärentviele einzelne Wellenviele Moden Q
uelle: W. Ketterle (MIT)
Vergleich: Normales Licht - Laserlicht
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Normales Gas Bose-Einstein-Kondensat
beugungsbegrenzt (gerichtet)kohärenteine große Welleeine Mode (monochromatisch)
divergentinkohärentviele einzelne Atomeviele Moden
Atome sind unabhängig Atome bewegen sichgleichförmig
Quelle: W. Ketterle (MIT)
Vergleich: Normales Gas – Bose-Einstein-Kondensat
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Nobelpreis für die Bose-Einstein-Kondensation
Quelle: www.nobelprize.org
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Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 29
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
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Zwei überlagerte Laserstrahlen zeigen InterferenzInterferenzstreifen
Lichtstrahlen verhalten sich wie Wellen
Interferenz von zwei optischen Wellen
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Zwei Bose-Einstein-Kondensate zeigen InterferenzEigenschaften: Interferenz von BECs
Interferenz von Bose-Einstein-Kondensaten an der TUD
Bose-Einstein-Kondensate verhalten sich wie Wellen
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Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 32
Wirbelsturm
Wasserstrudelin einem Glas
Rotation von Medien: Strudel und Vortices
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Bose-Einstein-Kondensate zeigenquantisierte Rotation.
- 2D Vortexlinienmuster- Rotation wird nichtgedämpft!
Eigenschaften (BEC): Vortices und Superfluidität
Quelle: W. Ketterle (MIT)
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Eigenschaften (BEC): Rotierende Kondensate
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Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 35
Anwendungen: Atomlaser
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Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 36
Kalte Atome ermög-lichen genauereUhren. Denn: langsame Atomekönnen längergemessen werden.
Cäsium-AtomuhrPTB Braunschweig
Anwendungen: Zeitmessung und Atomuhren
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Technische Universität Darmstadt | Prof. Dr. Gerhard Birkl | SMP 2011 | 37
GPS / GALILEO beruhen auf genauen Uhren auf Satelliten und in Bodenstationen.
Kalte Atome ermög-lichen genauereUhren.Genauere Uhrenverbessern die Navigation.
Anwendungen: Positionsbestimmung – GPS/GALILEO
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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
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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
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|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
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Antwort:
Guinness-Buch der Rekorde
Frage:
Ist ein Bose-Einstein-Kondensat wirklichdie kälteste Materie im Universum?
Die kälteste Materie im Universum?
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T = 450 pKT = 450 billionstel KelvinT = 0,000 000 000 450 K
Die kälteste Materie im Universum!
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• 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