Kollektive und individuelle Freiheitsgrade beim Helium II

Ingolf Volker Hertel, C. P. Schulz

J. P. Toennies

Werner R. Theis

ZusammenfassungIn den Teilen I und II haben wir die Quantentheorie von Systemen mit endlich vielen Freiheitsgraden kennengelernt. Dabei kamen auch elektromagnetische Felder, also Systeme mit unendlich vielen Freiheitsgraden, vor. Diese wurden jedoch als gegebene klassische Felder behandelt, deren Freiheitsgrade überhaupt nicht in die Theorie eingebracht wurden. Deshalb konnte auch die spontane Emission von Licht bei einem quantenmechanischen Übergang eines Atoms nicht beschrieben werden; hierbei werden ja Freiheitsgrade des elektromagnetischen Feldes angeregt. Schon bei klassischer Behandlung existieren Felder auch ohne Ankopplung an andere Systeme, sie sind selbst Träger von Energie, Impuls und Drehimpuls. Wenn nun ein mechanisches System an die Felder gekoppelt und den Regeln der Quantentheorie unterworfen wird, so muß z. B. bei Änderung des Drehimpulses des Feldes auch das Feld quantisiert werden, um nicht in Widerspruch zum gequantelten Drehimpuls des mechanischen Systems zu geraten. Eine Quantentheorie ist daher erst dann eine unter Umständen brauchbare Theorie, wenn sie die Felder in die quantentheoretische Beschreibung konsistent einbezieht.

Schröder, Janina

In dieser Arbeit wurde die Paarabstandsvertreilungen von kleinen Edelgasdimeren gemessen und deren Bindungsenergie bestimmt. Die Auswertung des Heliumdimers 4He2 zeigt die enorme räumliche Ausdehnung des Grundzustands und die berechnete Bindungsenergie weicht um etwa zehn Prozent vom Literaturwert ab. Die Messung des Neondimers 20Ne2 hatte nicht genug Ereignisse detektiert um eine Bindungsenergie bestimmen zu können. Mithilfe dieses Experimentes sollte vor allem das heteronukleare Helium-Neon-Dimer untersucht werden. Die Auswertung dieses Dimers zeigt, dass sowohl 4He20Ne als auch 4He22Ne detektiert wird. Die Abstandsverteilung der beiden Dimere unterscheidet sich vornehmlich in der Anzahl der detektierten Dimere, während ihre Wellenfunktion nahezu identisch ist. Beim Vergleich mit den theoretischen Daten zeigt sich, dass beide Dimere im Grundzustand mit J = 0 vorliegen. Die Abweichungen zwischen den Bindungsenergien der Dimere zum theoretischen Wert liegen bei etwa acht Prozent. Um weitere Aspekte des Helium-Neon-Dimer zu untersuchen, könnten bei zukünftigen Messungen die Auswirkungen eines Laserpulses, analog zum Helium-Dimer, untersucht werden. Es wäre interessant zu betrachten, wie dieses System auf die Störung reagiert und ob es zu einer Überlagerung der Rotationszustände kommt.

Mateusz Kotyrba

Gegenstand dieser Arbeit ist die experimentelle Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats (BEK) mit Helium-4 Atomen. Wegen der elektronischen Struktur des Helium-Atoms müssen die standard Einfangstechniken der neutralen Atomen gegenüber anderer atomaren Spezies angepasst werden, um das Bose-Einstein Kondensat aus Helium zu erzeugen. Helium muss in den metastabilen Zustand angeregt werden, dann wird der Atomstrahl kollimiert und abgebremst. Wir fangen ca. 1e9 Atome in einer magneto-optischen Falle. Um die Atome weiter kühlen zu können, werden sie in eine reine magnetische Falle übertragen. Doppler-Kühlung kühlt die Atome in der Magnetfalle weiter, und erhöht die Phasenraumdichte. Der entartete Quantenzustand wird durch Verdampfungskühlung der Helium Atome erreicht. Der Übergang zum BEK findet bei ca. T_c=1.4 uK statt und meistens erzeugen wir Kondensate mit ein paar 1e6 Atomen. Im Vergleich zu den anderen Atomsorten hat metastabiles Helium eine einzigartig hohe interne Energie (19.8 eV), die für eine Detektion von einzelnen Atomen ausgenutzt werden kann. Ein Detektor, der diese hohe Energie ausnutzt, besteht aus Mikrokanalplatte in Kombination mit einer Verzögerungsleitung. Wir haben einen solchen Detektor in unserer Vakuumkammer erfolgreich eingebaut, und haben damit die Atomwolke charakterisiert. Der Detektor kann die Atome mit hoher Effizienz aufzeichnen und im Vergleich zu anderen Helium Experimenten hat er die höchste Auflösung. Bestehend aus vier Quadranten mit unabhängiger Ausleseelektronik, die die Aufzeichnung von gleichzeitgen Ereignissen ermöglichen, ist der Detektor besonders für Experimente, die analog zum Feld von Quantenoptik realisiert werden, geeignet. Ein Musterbeispiel ist die Erzeugung von verschränkten Teilchen im Impuls Freiheitsgrad. Der vorgestellte experimentelle Vorgang in dieser Dissertation stellt einen wichtigen Schritt in der Herstellung von Impulsverschränkten Atomen dar. Dieser Aufbau wird den Weg für Materiewellen Experimente, die die Besonderheiten der Quantenkorrelationen ausnutzen, bahnen. Wir erwarten, dass unserer Aufbau eine direkte Demonstration von Impulsverschränkung im Sinne des Gedankenexperiments von Einstein, Podolski und Rosen ermöglicht.

Gustav Mie