Abstract Mit dem diesjährigen Nobelpreis für Physik werden die beiden Amerikaner Eric A. Cornell und Carl E. Wieman sowie der Deutsche Wolfgang Ketterle für ihre Experimente zur Bose‐Einstein‐Kondensation ausgezeichnet [1]. Der Preis wird für die erstmalige Realisierung von Bose‐Einstein‐Kondensaten und erste grundlegende Studien dieses neuen Materiezustandes vergeben. Nur vier Jahre nach dem Nobelpreis für die Entwicklung der Laserkühlung von Atomen [2] ist dies eine weitere Auszeichnung für ein relativ junges Forschungsgebiet, das über die Atomphysik hinaus zunehmend in andere Gebiete der Physik ausstrahlt.
Abstract Mit dem diesjährigen Nobelpreis für Physik werden die beiden Amerikaner Eric A. Cornell und Carl E. Wieman sowie der Deutsche Wolfgang Ketterle für ihre Experimente zur Bose‐Einstein‐Kondensation ausgezeichnet [1]. Der Preis wird für die erstmalige Realisierung von Bose‐Einstein‐Kondensaten und erste grundlegende Studien dieses neuen Materiezustandes vergeben. Nur vier Jahre nach dem Nobelpreis für die Entwicklung der Laserkühlung von Atomen [2] ist dies eine weitere Auszeichnung für ein relativ junges Forschungsgebiet, das über die Atomphysik hinaus zunehmend in andere Gebiete der Physik ausstrahlt.
Physik‐Nobelpreis für die Entwicklung von Laserkühlung und Atomfallen/…kurzgefaßt/Max Planck zum Gedenken/WE‐Heraeus‐Programm „Weiterbildung in den Grundlagen unternehmerischen Denkens und Handelns” jetzt auch für Fachhochschulen/Einstein im ADLON/…kurzgefaßt/Auf Lebenszeit Studierender? — Oder: Beitragsvermeidung durch Stillhalten/Frühjahrstagungen: Internet‐Adressen/Blick in die USA/Großbritannien: Diamond und JET/JET setzt Weltrekordmarken/Trägheitsfusion mit schweren Ionen im Aufwind/Trägheitsfusion/Erstes Bose‐Einstein‐Kondensat in Europa/Quasiteilchen mit gebrochenzahliger Ladung beobachtet/Laserlicht verwandelt sich in Materie
Physik-Nobelpreis fur die Entwicklung von Laserkuhlung und Atomfallen Der Franzose Claude Cohen-Tannoudji sowie die Amerikaner Steven Chu und William D. Phillips teilen sich zu je ein Drittel den diesjiihrigen Physik-Nobelpreis.Sie erhalten ihn fur ,,die Entwicklung von Methoden, die es erlauben, Atome mit Laserlicht zu kiihlen und einzufangen".Die der Laserkiihlung zugrundeliegende Idee geht auf das Jahr 1975 zuriick T. W. Hansch und A. L. Schawlow schlugen damals vor, die Wechselwirkung zwischen neutralen Atomen und Photonen auszunutzen, um den Atomen gezielt Energie zu entziehen und sie damit abzukiihlen.Dazu sollte eine Atomwolke von verschiedenen Seiten mit Laserlicht beleuchtet werden, das gegen einen atomaren iibergang leicht verstimmt ist.Aufgrund des Doppler-Effekts wiiren dann einzelne Atomc nur mit denjenigen Laserstrahlen in Resonanz, auf die sie sich zubewegen, und wiirden durch den Strahlungsdruck abgebremst.S. Chu und Mitarbeitern gelang es 1984 erstmals, diese Idee umzusetzen, und kurz danach, eine Wolke aus Natrium-Atomen bis zur theoretischen ,,Doppler-Grenze" von 0.24 mK abzukiihlen.Chu entwickelte 1987 gemeinsam mit D. Pritchard und basierend auf einer Idee des Cohen-Tannoudji-Schiilers J. Dalibard auch die magneto-optische Falle, in dcr sich eine Atomwolke mit Hilfe gegenlaufiger Laserstrahlen und eines schwachen Magnetfelds einsperren 1aRt -eine wichtige Voraussetzung f i r spatere Experimente, da die gekuhlten Atomwolken ansonsten allein schon aufgrund der Schwerkraft den Experimentatoren ,,entkommen" wiiren.1988 entdeckte W. D.
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.
Das Buch behandelt drei physikalische Phänomene: die Bose-Einstein-Kondensation, Suprafluidität und Supraleitung. In seinem Aufbau verfolgt es das Ziel, die wesentlichen Konzepte und notwendigen mathematischen Formalismen zu motivieren. Das Buch beginnt mit dem einfachsten der drei Phänomene, der Bose-Einstein-Kondensation. Nach einem Überblick über grundlegenden Eigenschaften idealer Bose-Gase werden Verfahren zum Einfangen und Kühlen von Atomen vorgestellt, um schließlich auf die Realisierung von Bose-Einstein-Kondensaten in verdünnten atomaren Gasen eingehen zu können. Aufgrund von Zusammenfassungen und weiterführenden Literaturangaben ist das Werk gleichermaßen zum Selbststudium geeignet wie zur vertiefenden Vorlesungsbegleitung. Zahlreiche Übungsaufgaben, teils mit Lösungen und Hinweisen, ermöglichen die unmittelbare Überprüfung des Gelernten.
In der vorliegenden Arbeit wird über die erstmalige kontinuierliche Auskopplung von Atomen aus einem atomaren Bose-Einstein-Kondensat berichtet. Es wurde so eine kohärente Strahlquelle für Materiewellen entwickelt, die aufgrund ihrer Analogie zu der Erzeugung von Licht in einem Laser als Atomlaser bezeichnet wird. In einer neu entwickelten magnetischen Ioffe-Falle mit einem äußerst stabilen Fallenpotential wurden dazu Bose-Einstein- Kondensate aus 87Rb Atomen erzeugt. Mit Hilfe von kontinuierlich eingestrahlten Radiofrequenzwellen konnte das gefangene kohärente Materiefeld eines Bose-Einstein-Kondensats lokal an die frei propagierenden Eigenzustände des Gravitationspotentials angekoppelt werden. Es wurde außerdem gezeigt, daß mit Hilfe dieser Meßmethode eine räumliche Spektroskopie und Manipulation der Kondensatwellenfunktion auf einer µm-Skala möglich ist. Mit dem Atomlaser wurden fundamentale Kohärenzeigenschaften eines Bose-Gases am Phasenübergang zur Bose-Einstein-Kondensation untersucht. Aus zwei Raumbereichen des gefangenen atomaren Gases wurden dazuMateriewellen ausgekoppelt und zur Überlagerung gebracht. Sind die von den beiden Raumbereichen ausgesandten Materiewellen phasenkohärent, so ergibt sich ein Materiewellen-Interferenzmuster. Aus dem Kontrast des Interferenzsignals konnten die Kohärenzeigenschaften des gefangenen Gases quantitativ bestimmt werden. Die Meßmethode läßt sich dabei in einer weitgehenden Analogie zu der räumlichen Kohärenzmessung von Licht in einem Doppelspalt-Experiment verstehen. In der Mitte des letzten Jahrhunderts wurde in der Theorie erkannt, daß die fundamentale Eigenschaft makroskopischer Quantenphänomene wie z. B. der Suprafluidität oder der Supraleitung eine langreichweitige Phasenkohärenz in den zugrundeliegenden Quantenfeldern ist. Nahezu 50 Jahre nach dieser Erkenntnis wurden die dramatischen Änderungen in den Kohärenzeigenschaften eines makroskopischen Quantensystems am Phasenübergang hier erstmals in einem Experiment quantitativ nachgewiesen. Für die zukünftige Anwendbarkeit des Atomlasers sind kohärenzerhaltende atomoptische Elemente wichtige Grundbausteine. Im letzten Teil der Arbeit werden neuere Messungen vorgestellt, bei denen mit Hilfe von Hyperfein-Raman-Übergängen in einem magnetischen Fallenpotential ein Spiegel, ein Strahlteiler und ein Resonator für den Atomlaser entwickelt wurden.
Am 14. Juli 1995 berichteten die angesehene Wissenschaftszeitschrift Science sowie dieber¨uhmte amerikanische Tageszeitung New York Times – auf dem Titelblatt – gleichzeitiguber die erstmalige experimentelle Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensates aus einem¨Gas schwach wechselwirkender Alkaliatome am Joint Institute for Laboratory Astrophy-sics (JILA) in Boulder/Colorado (USA). Was war an dieser Leistung so bedeutsam, dasman sich entschlos, sie auf jene Weise bekannt zu geben?Einer der Gr¨unde f ¨ur f ur die enorme Publizit¨ ¨at des Ereignisses ist sicher, das der NameAlbert Einsteins damit in Verbindung gebracht wird. Tats¨achlich hat Einstein den Effektin einer bemerkenswerten Arbeit im Jahr 1924 (ankn¨upfend an fr ¨uhere Uberlegungen des¨indischen Physikers S. N. Bose) vorausgesagt. Bei seiner Untersuchung der Quantentheo-rie idealer Gase wies er darauf hin, das unter bestimmten Umst¨anden ein Teil der Atomeauskondensiert und gemeinsam den Grundzustand des Systems besetzen. Diese Atomebilden eine Kondensat-Phase, die ein makroskopisches Quantensystem darstellt.Mehr als 70 Jahre vergingen zwischen der theoretischen Vorhersage dieses quantensta-tistischen Ph¨anomens und seiner eindeutigen Realisierung im Labor. Wegen der auseror-dentlichen experimentellen Schwierigkeiten, die dabei zu ¨uberwinden waren, bedurfte esverschiedener neuer Techniken und Methoden, bis sich nach einem Wettrennen (dessenheise Phase etwa 15 Jahre dauerte) mehrerer Gruppen der Erfolg einstellte.In zahlreichen Zeitungs- und Zeitschriftenartikeln wurde auch hierzulande uber das¨Ereignis berichtet [1, 2, 3, 4]. Interessierte Schulerinnen und Sch¨ uler allerdings, die in¨der Schule N¨aheres uber dieses neue Ph¨ ¨anomen erfahren wollen, werden vermutlich mei-stens entt¨auscht. Ahnlich ergeht es wohl auch den Lehrerinnen und Lehrern, die ihren¨Unterricht mit aktuellen Informationen aus der Wissenschaft anreichern wollen und zudiesem Zweck die Fachliteratur zu Rate ziehen: Ihnen wird die Verbindung zwischen denhochtechnischen Abhandlungen der Fachb¨ucher uber Statistische Physik und den bunten¨Bildern von in Fallen gefangenen Atomen nicht unbedingt besonders einsichtig erscheinen.Gerade bei einem Fach wie der Physik, die h¨aufig als schwierig angesehen wird, ist es be-sonders bedauerlich, wenn ein bestehendes Interesse an physikalischen Inhalten aus Man-gel an Information nicht befriedigt werden kann. Eine Aufgabe der Fachdidaktik besteht