Ueber die Lichterzeugung durch Bewegung der Atome

Victor F. Weisskopf

Michael Lohse

Elektrische Ströme werden üblicherweise durch eine externe Spannung hervorgerufen, die zu einem dissipativen Ladungstransport in Richtung des Gradienten führt. Schon in der Antike war jedoch bekannt, dass eine gerichtete Bewegung auch durch periodische Modulation eines Systems erzeugt werden kann wie etwa bei der Archimedes-Schraube. Ein quantenmechanisches Analogon wurde 1983 von David Thouless vorgeschlagen - die topologische Ladungspumpe. In einem solchen 1D System werden Teilchen durch eine adiabatische, zyklische Änderung des Hamilton-Operators gezielt in eine Richtung bewegt. Erstaunlicherweise können damit selbst in normalerweise isolierenden Medien Ströme erzeugt werden. Darüber hinaus ist die Bewegung für homogen besetzte Bänder in periodischen Potentialen quantisiert. Diese Quantisierung kann auf eine höherdimensionale topologische Invariante, die erste Chern-Zahl, zurückgeführt werden. Eine 1D topologische Ladungspumpe kann daher als eine dynamische Version des 2D Quanten-Hall-Effekts aufgefasst werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, Quanten-Hall-Physik auch in höherdimensionalen Räumen experimentell zu untersuchen. Für 4D Systeme wurde ein neuartiger Quanten-Hall-Effekt vorhergesagt, bei dem ein quantisierter nichtlinearer Hall-Strom auftritt, der 4D topologische Eigenschaften aufweist. Dieser 4D Quanten-Hall-Effekt stellt das fundamentale Modell dar, auf dem die meisten niederdimensionalen topologischen Isolatoren basieren, und weist faszinierende Randeffekte wie isolierte Weyl-Punkte auf. Diese Arbeit befasst sich mit der experimentellen Realisierung von 1D und 2D topologischen Ladungspumpen für ultrakalte bosonische Atome in optischen Übergittern. Durch die periodische Modulation eines 1D Übergitters wird eine Bewegung von Atomen in einem fraktionellen Mott-Isolator induziert. Diese wird mit Hilfe von in-situ Abbildungen und sogenanntem site-resolved band mapping quantitativ vermessen. Damit wird zum ersten Mal für eine topologische Ladungspumpe ein quantisierter Transport in einem ausgedehnten System beobachtet. Daneben werden die Transporteigenschaften des ersten angeregten Bandes untersucht, in dem die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung erfolgt. Dieses anomale Verhalten belegt unzweifelhaft den quantenmechanischen Ursprung dieses Transports. Des Weiteren kann in diesem Band die Existenz eines topologischen Übergangs in Abhängigkeit der Gittertiefen nachgewiesen werden. Mit Hilfe einer 2D topologischen Ladungspumpe wird eine dynamische Version des 4D Quanten-Hall-Effekt realisiert. Dessen Hauptmerkmal, der nichtlineare Hall-Strom, wird in einem zeitabhängigen, gewinkelten 2D Übergitter in-situ beobachtet - der erste Nachweis einer Bewegung mit intrinsischer 4D Symmetrie. Mit einer kleinen Atomwolke werden die geometrischen Eigenschaften dieser Bewegung lokal bestimmt und daraus das Verhalten eines unendlich großen Systems rekonstruiert. Die Quantisierung des Transports kann durch die Bestimmung der damit verknüpften 4D topologischen Invarianten, der zweiten Chern-Zahl, nachgewiesen werden. Die Nichtlinearität dieser Bewegung wird aufgezeigt, indem ihre Abhängigkeit von den verantwortlichen externen Störungen untersucht wird. Die hier zusammengefassten Ergebnisse stellen den ersten Schritt der Erforschung topologisch nichttrivialer Phasen in höherdimensionalen Systemen dar.

K. F�rsterling

T. Binnewies

Atominterferometrie mit Erdalkalimetallen wird trotz der enormen Möglichkeiten der Laserkühlung noch immer durch die Bewegung der Atome begrenzt.Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb zwei neue Kühlverfahren entwickelt und untersucht, die die Temperatur von Calciumatomen in einer bzw.drei Dimensionen um mehr als zwei Größenordnungen unter die bisherige Grenze, das Dopplerlimit auf dem Übergang 1 S 0 -1 P 1 (T D ≈1 mK), reduzieren.Beide nutzen die hohe Geschwindigkeitsselektivität der schmalen Interkombinationslinie 1 S 0 -3 P 1 zur Nachkühlung eines in einer konventionellen magneto-optischen Falle (MOT) gekühlten Ensembles von Calciumatomen.Bei dem von uns " Maxwells-Dämon-Kühlung" [1] genannten Verfahren werden aus dem vorgekühlten Ensemble in einer Dimension die langsamsten Atome durch Selektionspulse auf dem Interkombinationsübergang ausgewählt.Die gewünschte Geschwindigkeitsbreite kann dabei durch die Dauer der Selektionspulse und die mittlere Geschwindigkeit durch die Verstimmung zur Resonanz eingestellt werden.Um langsame Atome zu akkumulieren, werden die selektierten Atome optisch in die magnetischen Unterzustände des 3 P 1 -Zustands gepumpt, die Grundzustandsgeschwindigkeitsverteilung durch eine sogenannte optische Melasse auf dem Kühlübergang 1 S 0 -1 P 1 rethermalisiert und das ganze Schema mehrfach wiederholt.Die erreichten Geschwindigkeitsverteilungen mit v rms ≈ 4 cm/s in einer Dimension sind durch die spontanen Zerfälle beim Umpumpen limitiert.Der Einsatz der so gekühlten Atome in einem Ramsey-Bordé-Atominterferometer, das Laserstrahlen als Strahlteiler verwendet, führt zu einem deutlich höheren Kontrast der Interferenzsignale .In einem einfachen Interferometer im Zeitbereich mit drei Strahlteilerpulsen aus einer Richtung konnte der Kontrast von 30 % auf etwa 50 % gesteigert werden.Der Kontrast wird bei den kleinen Geschwindigkeitsbreiten in Richtung der Strahlteilerpulse nicht mehr durch deren Fourierbreite begrenzt, sondern dadurch, dass die Atome senkrecht zum Laserstrahl aus dem Wechselwirkungsbereich laufen.Um auch diese Bewegung zu reduzieren, die insbesondere zu unerwünschten Phasenverschiebungen bei der Atominterferometrie führt und so z.B. die Unsicherheit von Frequenznormalen erhöht, wurde ein dreidimensionales Kühlverfahren entwickelt.Bei der sogenannten " Quench-Kühlung" [2] wird eine MOT auf dem Interkombinationsübergang genutzt, deren Dopplerlimit wegen der kleinen Linienbreite weit unter dem Rückstoßlimit liegt.Um die daraus folgende kleine Kraft zu erhöhen, wurde die Lebensdauer des angeregten Zustandes durch einen Rückpumplaser verkürzt.Durch dieses "Quenchen" wird die effektive Streurate auf dem Interkombinationsübergang so weit erhöht, dass ein Einfang der vorgekühlten Atome gegen die Gravitation möglich wird.Schon nach wenigen Millisekunden Kühlung werden, bei einer Umladeeffizienz von mehr als 10 %, Geschwindigkeitsverteilungen mit v rms ≈ 5 cm/s erreicht, die nur wenigen Rückstößen der beteiligten Photonen entsprechen.Erste Kamerabilder der ultrakalten Atomwolke zeigen, dass diese etwa die gleiche Ausdehnung wie die der vorgekühlten Atome hat.Damit wird insgesamt eine Zunahme der Phasenraumdichte um mehr als zwei Größenordnungen abgeschätzt.Die Möglichkeit, auf sehr schmalen Linien zu kühlen, wird für die bisher nicht in den Mikrokelvin -Bereich kühlbaren Erdalkalielemente Ca und Mg viele neue experimentelle Perspektiven eröffnen.

Torsten Fließbach, Hans Walliser

ZusammenfassungWir führen die Drehimpulsoperatoren und ihre Eigenfunktionen ein. Die Bewegung in einem Zentralpotenzial wird durch diese Eigenfunktionen und durch die Lösungen der Radialgleichung beschrieben. Wir untersuchen speziell das Kastenpotenzial, den sphärischen Oszillator und das Wasserstoffproblem.

Gustav Mie