Abstract Die Nachricht von den ersten Realisierungen von Bose‐Einstein‐Kondensaten aus schwach wechselwirkenden Atomen im Sommer 1995 [1,2] (siehe auch Physik in unserer Zeit, 27, 200 (5/1996)) zog eine Welle neuer Forschungsaktivitäten nach sich. Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology, MIT, und Kollegen gelang es kürzlich, zwei Bose‐Einstein‐Kondensate zur Interferenz zu bringen [3].
Abstract Die Nachricht von den ersten Realisierungen von Bose‐Einstein‐Kondensaten aus schwach wechselwirkenden Atomen im Sommer 1995 [1,2] (siehe auch Physik in unserer Zeit, 27, 200 (5/1996)) zog eine Welle neuer Forschungsaktivitäten nach sich. Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology, MIT, und Kollegen gelang es kürzlich, zwei Bose‐Einstein‐Kondensate zur Interferenz zu bringen [3].
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.
Angetrieben durch die vielfältigen Möglichkeiten, welche interferometrische Messmethoden mit Materiewellen für die physikalische Forschung bieten, hat die Atominterferometrie einen wichtigen Platz in der Forschung mit ultrakalten Atomen eingenommen. So erlauben es Atominterferometer bereits, z. B. die Erdbeschleunigung, Rotationen oder die Feinstrukturkonstante mit hoher Präzision zu messen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Kohärenz von Bose-Einstein-Kondensaten in Dipolpotentialen für atomoptische Elemente bzw. für Anwendungen in der Atominterferometrie. Als Werkzeug dient dabei ein Bragg-Gitter, mit dessen Hilfe interferometrische Messungen zur Charakterisierung der Kohärenz des Bose-Einstein-Kondensats durchgeführt wurden. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der erstmaligen Verwendung der konischen Refraktion zur Erzeugung eines ringförmigen Potentials zur Führung und Speicherung von Bose-Einstein-Kondensaten. In der Fokalebene der konischen Refraktion entsteht eine ringförmige Intensitätsverteilung, die eine Doppelringsubstruktur aufweist. Zwischen diesen beiden Ringen wurde das Kondensat gespeichert, wobei der Einschluss in der axialen Richtung durch einen Lichtteppich gewährleistet wird. Es wurde demonstriert, dass Atome, die mittels eines Bragg-Gitters beschleunigt wurden, zwei volle Umläufe im Ringpotential absolvieren können. Durch interferometrische Methoden wurde nach dem Umladen in das Potential ein Kontrast von bis zu 43% beobachtet. Die Kontrastreduktion gegenüber einer Messung im linearen Wellenleiter (53%), der aus einem Strahl der zur Erzeugung des Bose-Einstein-Kondensats genutzten Dipolfalle bestand, kann durch spontane Streuung von Photonen des Lichtteppichs begründet werden. Nach einem halben Umlauf im Ring, was einer zurückgelegten Strecke von 0,54 mm entspricht, zeigte sich, dass sowohl die Kohärenzlänge, als auch der Kontrast vergleichbar ist mit Werten, die für Kondensate nach ähnlichen Zeiten in Ruhe beobachtet werden. Bei allen interferometrischen Experimenten stimmte der beobachtete Streifenabstand mit den berechneten Werten überein. Für einen auf Dipolpotentialen basierenden Bragg-Spiegel für Atome wurde ein Modell aus der lokalen Bandstruktur entwickelt, durch das eine gezielte Dimensionierung bzgl. der Filterwirkung und Reflektivität eines solchen Spiegels erreicht werden kann. Der Spiegel besteht aus einem räumlich begrenzten optischen Gitter mit einer Gaußschen Einhüllenden. Durch die spezielle Form der Bandlücken, wie sie durch die Gaußsche Einhüllende entsteht, lässt sich ein Resonator für Atome konstruieren, dessen Reflektivität dynamisch durch Variation der Leistung der Gitterstrahlen verändert werden kann und der Aufenhaltsdauern von über 75 s ermöglicht. Dadurch ließen sich in Simulationen Rephasierungen der Wellenfunktion beobachten, die zu einer Wiederkehr der ursprünglichen Dichteverteilung führen. Für die Experimente wurde ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium87-Atomen in einer gekreuzten Dipolfalle durch evaporative Kühlung präpariert. Die Evaporation benötigt eine Zeit von 12 s. Zusammen mit der Ladezeit der magneto-optischen Falle und der Zeit, die für die Detektion benötigt wird, kann so etwa alle 20 s ein Bose-Einstein-Kondensat mit 15.000 Atomen und einem Kondensatanteil von 80% erzeugt werden. Es wurde beobachtet, dass ein breitbandiger Faserlaser, wie der hier verwendete mit einer Wellenlänge von 1070 nm, erhöhte intensitätsabhängige Zweikörperverluste verursacht, die in einer Lebensdauer der Atome in der Falle von unter 1 s resultieren können. Aus diesem Grund wurde der theoretisch optimale Verlauf der Evaporation modifiziert. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass die Zeitkonstante der Leistungsreduktion proportional zur Lebensdauer bei der entsprechenden Leistung sein sollte, um eine optimale Evaporation zu gewährleisten. Trotz der hohen Verlustraten wurde so eine effiziente Präparation des Bose-Einstein-Kondensats erreicht.
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
von Albert Einstein nach Vorarbeiten von Satyendra Nath Bose zum ersten Mal diskutiert, 1995 vom amerikanischen Wissenschaftsmagazin Science zum Molekül des Jahres gekürt, obwohl es sich nicht um ein Molekül handelt: die Bose-Einstein-Kondensation.Die experimentelle Untersuchung dieses Phänomens an schwach wechselwirkenden, sehr kalten Atomgasen hat in den letzten zwei Jahren für erhebliches Aufsehen in der physikalischen Fachwelt gesorgt und schlug sich neben vielfältigen Forschungsaktivitäten innerhalb kürzester Zeit auch in Preisverleihungen an Vertreter der beiden führenden experimentellen Gruppen nieder
Mach-Zehnder Interferometrie mit wechselwirkenden Bose-Einstein Kondensaten in einem Doppel-Mulden-Potential Der Welle-Teilchen Dualismus ermöglicht die Konstruktion von Interferometern mit massiven Teilchen wie Elektronen, Neutronen, Atomen oder Molekülen. Die Atominterferometrie erfordert die Entwicklung von Komponenten analog zu den optischen Strahlteilern, Phasenschiebern, Kombinierern für die kohärente bzw. phasenstabile Manipulation quantenmechanischer Überlagerungszustände. Während Atominterferometer ursprünglich die Welleneigenschaften von der Materie untersucht haben, gehören sie heute zu den am weitesten entwickelten Präzisionsmessgeräten, die für technologische und fundamentale Fragestellungen verwendet werden. Bose-Einstein-Kondensate (BEK) aus ultrakalten atomaren Gasen stellen besondere Materiewellen dar: sie verfügen über eine kollektive Wellenfunktion und makroskopische Kohärenzeigenschaften. Dementsprechend werden Sie oft als Analog zu Laserlicht betrachtet und es stellt sich die Frage, ob BEKs einen ähnlichen Entwicklungsschub für Materiewelleninterferometrie bewirken können wie einst der Laser für optische Interferometrie. Ein grundlegender Unterschied zwischen BEKs und Laserlicht stellen die atomaren Wechselwirkungen dar, welche zu einer intrinsischen Nichtlinearität führen. Auf der einen Seite führen atomare Wechselwirkungen zu Dekohärenz und Dephasierung, die die Beobachtungszeit des Interferometers reduzieren. Auf der anderen Seite ermöglichen die Wechselwirkungen die Erzeugung nicht-klassischer (z. B. gequetschter) Zustände, welche die Sensitivität der BEK Interferometer über das Schrotrausch-Limit hinaus verbessern können. In dieser Dissertation wurde experimentell ein Mach-Zehnder Interferometer für Bose- Einstein-Kondensate realisiert, welche auf einem Atomchip gefangen sind. Das Interferometer basiert auf der kohärenten Manipulation des BEKs in einem Doppel-Mulden- Potential. Es wurde insbesondere ein neuartiger Materiewellen-Kombinierer realisiert, das bisher fehlende Element in der Materiewellenoptik mit BEKs. Wir nutzten atomare Wechselwirkungen, um einen gequetschten Quantenzustand mit reduzierten Anzahl uktuationen zu realisieren, der gegenüber dem Schrotrausch-Limit eine erhöhte Sensitivität aufweist. Mit Hilfe dieses Zustandes untersuchten wir die Phasendiusion, welche wiederum durch atomareWechselwirkungen erzeugt wird. Zum ersten Mal wurde auf eindeutiger Weise die Verbindung von Anzahl uktuationen und der Phasendiusion aufgezeigt. Die Verwendung eines gequetschten Zustandes erlaubte es uns, die Beobachtungszeit des Interferometers um mehr als das Doppelte zu verlängern. Dies stellt einen entscheidenden Schritt in Richtung BEK Interferometrie mit nichtklassischen Zuständen dar und erweitert unser Verständnis über die Auswirkungen atomarer Wechselwirkungen in Vielteilchen-Quantensystemen. Die entwickelten Methoden sind geeignet, weitere komplexe Quantenzustände zu erzeugen und zu charakterisieren und es besteht die Honung, dass die atomaren Wechselwirkungen letztlich die Leistungsfähigkeit der Materiewelleninterferometrie verbessern können.