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Physikalische Blätter

Ultrakalte Atome an Oberflächen: Dicht über einer Oberfläche lassen sich Atome als zweidimensionales Gas speichern

Tilman Pfau

Published Oct 1, 1999• 1 citation
Publisher

Abstract

Abstract Kalte Atome an Oberflächen sind heiße Kandidaten für Physik in niederdimensionalen Systemen, für Anwendungen in der Atomoptik und vielleicht für den Bau von Quantencomputern. Aber wie bringt man kalte Atome an eine „heiße”︁ Oberfläche (Zimmertemperatur), wie und für wie lange kann man sie dort speichern und wie kann man sie nachweisen?

DOI
10.1002/phbl.19990551009

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Atom‐ und Molekülphysik: Optische Dipolfallen: Experimente mit ultrakalten Atomen und anderen kleinen Teilchen im Lichtkäfig

Matthias Weidemüller, Rudolf Grimm

Abstract Licht polarisiert Materie. Materie wiederum streut Licht. Dadurch entstehen vielfältige optische Erscheinungen, die man mit bloßem Auge beobachten kann. Die mechanischen Kräfte des Lichtfeldes hingegen sind für uns nicht direkt erfaßbar, da sie im allgemeinen zu klein sind, um eine merkliche Wirkung hervorzurufen. Hat man es jedoch mit Laserlicht und Atomen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt zu tun, so bestimmen Lichtkräfte entscheidend die Bewegung der Atome. So lassen sich kalte Atome durch optische Dipolkräfte in kontrollierter Weise über lange Zeiten festhalten. Mit neuartigen Dipolfallen kann man sogar mehrere Spezies gleichzeitig speichern und zur Molekülbildung anregen. Über solche Experimente berichten wir in diesem Artikel.

Physikalische Blätter•Dec 1, 1999•2 citations

Schreiben und Rechnen mit Atomen

Hannes Bernien, Ahmed Omran

Zusammenfassung Wir befinden uns derzeit auf dem spannenden Weg vom einzelnen Quantensystem zu gut kontrollierten, großen Quanten‐Vielteilchensystemen. Die Suche nach Systemen und Methoden, die eine solche Skalierung ermöglichen, ist eine enorme Herausforderung. Ein vielversprechender Weg sind mit optischen Pinzetten manipulierbare Atomketten. Mit einem akustooptischen Deflektor, der über einen Mix aus Radiofrequenzsignalen angesteuert wird, kann man viele optische Pinzetten in einer Reihe zugleich erzeugen. In einer Hochvakuumzelle lassen sich somit ultrakalte Atome fangen und zu einer Kette anordnen. Durch Anregung in stark polarisierbare Rydberg‐Zustände kann man die gefangenen Atome miteinander wechselwirken lassen. Die Atomketten dienen als Quantensimulatoren und erlauben es, grundlegende Effekte wie Quantenphasenübergänge zu untersuchen. Ein Ziel ist es, Quantentechnologien weiter zu entwickeln und Quantencomputer zu realisieren. Systeme mit rund 50 Quantenbits sind bereits demonstriert worden.

Physik in unserer Zeit•Sep 1, 2018•0 citations

Ultrakalte Quantengase und Atomlaser

Schneider, Jens

Thema der vorliegenden Arbeit ist die Bose-Einstein-Kondensation stark verdünnter atomarer Gase. Nach einer Einführung in die Theorie solcher schwach wechselwirkender Quantengase und einer Zusammenfassung wesentlicher experimenteller Ergebnisse aus dem Gebiet der Bose-Einstein-Kondensation wird zunächst die Physik ultrakalter, in Atomfallen gefangener Fermigase diskutiert. Dieses Gebiet hat sich in den letzten Jahren parallel zu dem der kondensierten Bosegase stark entwickelt und bietet vielversprechende Möglichkeiten, Modelle wie die BCS-Theorie erstmals in fast idealen Fermigasen zu untersuchen. Es werden Ergebnisse zu den thermodynamischen Eigenschaften solcher Gase vorgestellt, die vor allem für mesoskopische Teilchenzahlen (unter 1000) relevant sind. Dabei wird insbesondere auf Schaleneffekte bei der Dichteverteilung in einer Atomfalle und bei der Wärmekapazität eingegangen. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Physik von Atomlasern diskutiert. Als "Atomlaser" bezeichnet man Systeme, die in der Lage sind, kohärente Materiewellen aus Atomen zu erzeugen. Die einem Bose-Einstein-Kondensat inhärente Kohärenz wird in Experimenten genutzt, um mittels eines kohärent arbeitenden Auskoppelmechanismus solche Atomstrahlen herzustellen. Die zugehörige Physik wird durch die so genannte Gross-Pitaevskii-Gleichung beschrieben, einer Art nichtlinearen Schrödingergleichung für die Wellenfunktionen der beteiligten Hyperfeinzustände des Bose-Einstein-Kondensats aus 87Rb-Atomen. In der vorliegenden Arbeit wurden unter anderem die Auskoppelstärke mittels analytischer und vor allem numerischer Methoden untersucht. Darüber hinaus konnten Aussagen über das zeitliche Verhalten von Atomlasern gewonnen, die mit zwei Radiofrequenzen betrieben werden. In diesem Fall wird der Atomstrahl aus zwei interferierenden Materiewellen verschiedener Energie gebildet, sodass kohärente, atomare Pulse mit makroskopischen Dimensionen auftreten. Im letzten Abschnitt wird mit der Spurafluidität ein weiterer, sehr interessanter Aspekt von kondensierten Bosegasen behandelt. Nach einer Einführung in die Bestimmung quantenstatistischer Eigenschaften von Vielteilchensystemem mithilfe von Pfadintegral-Monte-Carlo-Verfahren wird der suprafluide Anteil eines kondensierten Bosegases mit verschiedenen Approximationen berechnet. Dazu wird neben den Pfadintegralen eine auf so genannten Permutationszykeln beruhende Methode eingesetzt, mit der man die Zustandssumme von Bosonen im kanonischen Ensemble und damit auch viele andere Größen ausrechnen kann. Auf diese Weise konnte der suprafluide Anteil eines idealen Bosegases im kanonischen Ensemble erstmals vollständig quantenmechanisch exakt ermittelt werden.

•Jan 1, 2001•0 citations

Ultrakalte Atome. Die Geschichte des Eises

Werner Aeschbach, Markus K. Oberthaler

Wie kalt ist kalt? Selbst innerhalb der Physik gehen die Vorstellungen dazu auseinander. Für Umweltphysiker mit Spezialgebiet Eisforschung sind Gletscher „kalt“, wenn die Temperatur im Eis permanent unterhalb des Gefrierpunktes liegt, das Eis also nie zum Schmelzen kommt. Solche Gletscher eignen sich als Klimaund Umweltarchive. Für Atomphysiker mit Spezialisierung auf Laserkühlung hingegen sind Atome „kalt“, wenn ihre Temperatur sehr nahe am absoluten Nullpunkt liegt. Die zwei Forschungsgebiete haben mehr miteinander zu tun, als man denken könnte: Die extrem kalten Atome können helfen, die Geschichte der nicht ganz so kalten Gletscher zu entschlüsseln.

Ruperto Carola•Dec 13, 2018•0 citations

Ultrakalte Atome in zwei Dimensionen

Selim Jochim, Tilman Enss

Abstract Ultrakalte Quantengase ermöglichen es, prototypische Eigenschaften komplexer Systeme zu simulieren. Physikern an der Universität Heidelberg ist es auf diese Weise gelungen, die Zustandsgleichung ultrakalter Atome in zwei Dimensionen zu bestimmen. Mit diesem System lassen sich kontrolliert besondere Phasenübergänge untersuchen, die beispielsweise in geschichteten Materialien auftreten.

Physik in unserer Zeit•May 1, 2016•0 citations

Realisierung erster quantenentarteter Gase unter Schwerelosigkeit

Tim van Zoest

ZUSAMMENFASSUNG Kalte Quantengase und speziell die Bose-Einstein-Kondensation bilden seit ihrer ersten Realisierung im Jahr 1995 ein neues und schnell wachsendes Forschungsfeld.Interessante quantenmechanische Phänomene wie Materiewellen-Interferenzen, Superfluidität, Solitonen oder Bloch-Oszillationen werden in zahlreichen Laboren weltweit untersucht.Auf dem Gebiet der Quantensensorik können solche Kondensate als ideale kohärente atomare Quelle dienen.Quantensensoren bieten vielversprechende Anwendungen vom Gebiet der Geodäsie über die Metrologie bis hin zu wichtigen Fragestellungen der fundamentalen Physik wie z.B.Tests des Äquivalenzprinzips.Hochpräzise Inertialsensoren können mit frei fallenden Atomen realisiert werden, die Empfindlichkeit steigt dabei quadratisch mit der Flugzeit.Eine Erhöhung der Sensitivität auf diesem Wege stellt hohe Anforderungen an die Minimierung der Temperatur der atomaren Ensembles und an die Realisierung einer vibrationsarmen Umgebung.Die Schwerelosigkeit bietet bei vielen dieser Fragestellungen den Vorteil von bisher unerreichten Regimes der kältesten Temperaturen, Erreichen makroskopischer Dimensionen der Materiewellenlänge sowie lange und ungestörte freie Entwicklungszeiten im Sekundenbereich.Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Realisierung eines Bose-Einstein Kondensates (engl."Bose-Einstein Condensate", BEC) in schwereloser Umgebung aufgebaut und das erste Bose-Einstein Kondensat unter Mikrogravitation verwirklicht.Für die Umsetzung des Projektes wurde als Mikrogravitationsplattform der Fallturm in Bremen gewählt, der mit 4,7 Sekunden freiem Fall, einer Repetitionsrate von 3 Experimenten am Tag, einer Mikrogravitationsgüte von ∆g/g < 10 -5 im Frequenzbereich von 0 bis 500 Hz und einer relativ leichten Zugänglichkeit zum Experiment die ideale Plattform darstellt.Der geringe Nutzraum von 170 cm Höhe und 60 cm Durchmesser, die Restriktion der zur Verfügung stehenden Energie durch Batterieversorgung, das maximal zulässige Gesamtgewicht von 500 kg sowie die notwendige Fernsteuerung des Experiments sind Rahmenbedingungen, die diesen Aufbau zum Prototypen eines mobilen BEC-Experiments für den Einsatz in ballistischen Raketen (TEXUS-Programm) oder im Weltraum (Raumstation ISS, Raumtransporter ATV) machen.Realisiert wird das Bose-Einstein-Kondensat durch einen Atomchip [1], der die benötigten Magnetfelder für die Speicherung und Manipulation der eingesetzten Rubidiumatome bereitstellt.Atomchips bieten den Vorteil der geringen Energieaufnahme bei gleichzeitiger Erreichung größter Magnetfeldgradienten, was die für das Erreichen eines Bose-Einstein Kondensates notwendige evaporative Kühlung in den temporalen Bereich von einer Sekunde bringt.Hierdurch erst lässt sich das BEC während des freien Falls von 4,7 Sekunden generieren.Die Planung und die Umsetzung des Experimentes zielten auf eine robuste Apparatur für den Einsatz unter hohen Abbremsbeschleunigungen (50 g) ab.Die Integration aller Komponenten in die Apparatur sowie die Optimierung der Bose-Einstein Kondensation erfolgte zunächst am Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität in Hannover und wurde nach Abschluss der Tests an das "Zentrum für angewandte Raumfahrt und Mikrogravitation, ZARM" überführt.Mit der Realisierung des ersten schwerelosen Kondensates am 13.11.2007folgte im März 2008 die erste freie Entwicklung eines Kondensates im Zeitraum von einer Sekunde.Mit diesem Experiment sind neue Wege für viele Anwendungen gerade im Bereich der hochpräzisen Messungen durch Atominterferometer oder der Untersuchung von Kondensaten auf makroskopischen Längenskalen geschaffen worden.Die Konvergenz von hochsensiblen optischen Systemen, kalten Quantengasen auf der einen Seite und weltraumtauglichen, kompakten und ferngesteuerten Experimenten auf der anderen Seite ist demonstriert.

•Jan 1, 2008•1 citation
Abstract Kalte Atome an Oberflächen sind heiße Kandidaten für Physik in niederdimensionalen Systemen, für Anwendungen in der Atomoptik und vielleicht für den Bau von Quantencomputern. Aber wie bringt man kalte Atome an eine „heiße”︁ Oberfläche (Zimmertemperatur), wie und für wie lange kann man sie dort speichern und wie kann man sie nachweisen?
Abstract Licht polarisiert Materie. Materie wiederum streut Licht. Dadurch entstehen vielfältige optische Erscheinungen, die man mit bloßem Auge beobachten kann. Die mechanischen Kräfte des Lichtfeldes hingegen sind für uns nicht direkt erfaßbar, da sie im allgemeinen zu klein sind, um eine merkliche Wirkung hervorzurufen. Hat man es jedoch mit Laserlicht und Atomen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt zu tun, so bestimmen Lichtkräfte entscheidend die Bewegung der Atome. So lassen sich kalte Atome durch optische Dipolkräfte in kontrollierter Weise über lange Zeiten festhalten. Mit neuartigen Dipolfallen kann man sogar mehrere Spezies gleichzeitig speichern und zur Molekülbildung anregen. Über solche Experimente berichten wir in diesem Artikel.
Zusammenfassung Wir befinden uns derzeit auf dem spannenden Weg vom einzelnen Quantensystem zu gut kontrollierten, großen Quanten‐Vielteilchensystemen. Die Suche nach Systemen und Methoden, die eine solche Skalierung ermöglichen, ist eine enorme Herausforderung. Ein vielversprechender Weg sind mit optischen Pinzetten manipulierbare Atomketten. Mit einem akustooptischen Deflektor, der über einen Mix aus Radiofrequenzsignalen angesteuert wird, kann man viele optische Pinzetten in einer Reihe zugleich erzeugen. In einer Hochvakuumzelle lassen sich somit ultrakalte Atome fangen und zu einer Kette anordnen. Durch Anregung in stark polarisierbare Rydberg‐Zustände kann man die gefangenen Atome miteinander wechselwirken lassen. Die Atomketten dienen als Quantensimulatoren und erlauben es, grundlegende Effekte wie Quantenphasenübergänge zu untersuchen. Ein Ziel ist es, Quantentechnologien weiter zu entwickeln und Quantencomputer zu realisieren. Systeme mit rund 50 Quantenbits sind bereits demonstriert worden.
Thema der vorliegenden Arbeit ist die Bose-Einstein-Kondensation stark verdünnter atomarer Gase. Nach einer Einführung in die Theorie solcher schwach wechselwirkender Quantengase und einer Zusammenfassung wesentlicher experimenteller Ergebnisse aus dem Gebiet der Bose-Einstein-Kondensation wird zunächst die Physik ultrakalter, in Atomfallen gefangener Fermigase diskutiert. Dieses Gebiet hat sich in den letzten Jahren parallel zu dem der kondensierten Bosegase stark entwickelt und bietet vielversprechende Möglichkeiten, Modelle wie die BCS-Theorie erstmals in fast idealen Fermigasen zu untersuchen. Es werden Ergebnisse zu den thermodynamischen Eigenschaften solcher Gase vorgestellt, die vor allem für mesoskopische Teilchenzahlen (unter 1000) relevant sind. Dabei wird insbesondere auf Schaleneffekte bei der Dichteverteilung in einer Atomfalle und bei der Wärmekapazität eingegangen. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Physik von Atomlasern diskutiert. Als "Atomlaser" bezeichnet man Systeme, die in der Lage sind, kohärente Materiewellen aus Atomen zu erzeugen. Die einem Bose-Einstein-Kondensat inhärente Kohärenz wird in Experimenten genutzt, um mittels eines kohärent arbeitenden Auskoppelmechanismus solche Atomstrahlen herzustellen. Die zugehörige Physik wird durch die so genannte Gross-Pitaevskii-Gleichung beschrieben, einer Art nichtlinearen Schrödingergleichung für die Wellenfunktionen der beteiligten Hyperfeinzustände des Bose-Einstein-Kondensats aus 87Rb-Atomen. In der vorliegenden Arbeit wurden unter anderem die Auskoppelstärke mittels analytischer und vor allem numerischer Methoden untersucht. Darüber hinaus konnten Aussagen über das zeitliche Verhalten von Atomlasern gewonnen, die mit zwei Radiofrequenzen betrieben werden. In diesem Fall wird der Atomstrahl aus zwei interferierenden Materiewellen verschiedener Energie gebildet, sodass kohärente, atomare Pulse mit makroskopischen Dimensionen auftreten. Im letzten Abschnitt wird mit der Spurafluidität ein weiterer, sehr interessanter Aspekt von kondensierten Bosegasen behandelt. Nach einer Einführung in die Bestimmung quantenstatistischer Eigenschaften von Vielteilchensystemem mithilfe von Pfadintegral-Monte-Carlo-Verfahren wird der suprafluide Anteil eines kondensierten Bosegases mit verschiedenen Approximationen berechnet. Dazu wird neben den Pfadintegralen eine auf so genannten Permutationszykeln beruhende Methode eingesetzt, mit der man die Zustandssumme von Bosonen im kanonischen Ensemble und damit auch viele andere Größen ausrechnen kann. Auf diese Weise konnte der suprafluide Anteil eines idealen Bosegases im kanonischen Ensemble erstmals vollständig quantenmechanisch exakt ermittelt werden.
Wie kalt ist kalt? Selbst innerhalb der Physik gehen die Vorstellungen dazu auseinander. Für Umweltphysiker mit Spezialgebiet Eisforschung sind Gletscher „kalt“, wenn die Temperatur im Eis permanent unterhalb des Gefrierpunktes liegt, das Eis also nie zum Schmelzen kommt. Solche Gletscher eignen sich als Klimaund Umweltarchive. Für Atomphysiker mit Spezialisierung auf Laserkühlung hingegen sind Atome „kalt“, wenn ihre Temperatur sehr nahe am absoluten Nullpunkt liegt. Die zwei Forschungsgebiete haben mehr miteinander zu tun, als man denken könnte: Die extrem kalten Atome können helfen, die Geschichte der nicht ganz so kalten Gletscher zu entschlüsseln.
ZUSAMMENFASSUNG Kalte Quantengase und speziell die Bose-Einstein-Kondensation bilden seit ihrer ersten Realisierung im Jahr 1995 ein neues und schnell wachsendes Forschungsfeld.Interessante quantenmechanische Phänomene wie Materiewellen-Interferenzen, Superfluidität, Solitonen oder Bloch-Oszillationen werden in zahlreichen Laboren weltweit untersucht.Auf dem Gebiet der Quantensensorik können solche Kondensate als ideale kohärente atomare Quelle dienen.Quantensensoren bieten vielversprechende Anwendungen vom Gebiet der Geodäsie über die Metrologie bis hin zu wichtigen Fragestellungen der fundamentalen Physik wie z.B.Tests des Äquivalenzprinzips.Hochpräzise Inertialsensoren können mit frei fallenden Atomen realisiert werden, die Empfindlichkeit steigt dabei quadratisch mit der Flugzeit.Eine Erhöhung der Sensitivität auf diesem Wege stellt hohe Anforderungen an die Minimierung der Temperatur der atomaren Ensembles und an die Realisierung einer vibrationsarmen Umgebung.Die Schwerelosigkeit bietet bei vielen dieser Fragestellungen den Vorteil von bisher unerreichten Regimes der kältesten Temperaturen, Erreichen makroskopischer Dimensionen der Materiewellenlänge sowie lange und ungestörte freie Entwicklungszeiten im Sekundenbereich.Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Realisierung eines Bose-Einstein Kondensates (engl."Bose-Einstein Condensate", BEC) in schwereloser Umgebung aufgebaut und das erste Bose-Einstein Kondensat unter Mikrogravitation verwirklicht.Für die Umsetzung des Projektes wurde als Mikrogravitationsplattform der Fallturm in Bremen gewählt, der mit 4,7 Sekunden freiem Fall, einer Repetitionsrate von 3 Experimenten am Tag, einer Mikrogravitationsgüte von ∆g/g < 10 -5 im Frequenzbereich von 0 bis 500 Hz und einer relativ leichten Zugänglichkeit zum Experiment die ideale Plattform darstellt.Der geringe Nutzraum von 170 cm Höhe und 60 cm Durchmesser, die Restriktion der zur Verfügung stehenden Energie durch Batterieversorgung, das maximal zulässige Gesamtgewicht von 500 kg sowie die notwendige Fernsteuerung des Experiments sind Rahmenbedingungen, die diesen Aufbau zum Prototypen eines mobilen BEC-Experiments für den Einsatz in ballistischen Raketen (TEXUS-Programm) oder im Weltraum (Raumstation ISS, Raumtransporter ATV) machen.Realisiert wird das Bose-Einstein-Kondensat durch einen Atomchip [1], der die benötigten Magnetfelder für die Speicherung und Manipulation der eingesetzten Rubidiumatome bereitstellt.Atomchips bieten den Vorteil der geringen Energieaufnahme bei gleichzeitiger Erreichung größter Magnetfeldgradienten, was die für das Erreichen eines Bose-Einstein Kondensates notwendige evaporative Kühlung in den temporalen Bereich von einer Sekunde bringt.Hierdurch erst lässt sich das BEC während des freien Falls von 4,7 Sekunden generieren.Die Planung und die Umsetzung des Experimentes zielten auf eine robuste Apparatur für den Einsatz unter hohen Abbremsbeschleunigungen (50 g) ab.Die Integration aller Komponenten in die Apparatur sowie die Optimierung der Bose-Einstein Kondensation erfolgte zunächst am Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität in Hannover und wurde nach Abschluss der Tests an das "Zentrum für angewandte Raumfahrt und Mikrogravitation, ZARM" überführt.Mit der Realisierung des ersten schwerelosen Kondensates am 13.11.2007folgte im März 2008 die erste freie Entwicklung eines Kondensates im Zeitraum von einer Sekunde.Mit diesem Experiment sind neue Wege für viele Anwendungen gerade im Bereich der hochpräzisen Messungen durch Atominterferometer oder der Untersuchung von Kondensaten auf makroskopischen Längenskalen geschaffen worden.Die Konvergenz von hochsensiblen optischen Systemen, kalten Quantengasen auf der einen Seite und weltraumtauglichen, kompakten und ferngesteuerten Experimenten auf der anderen Seite ist demonstriert.