Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Log inSign up
Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Blog
Job Board
Q3AS

© 2026 Aqora Quantum S.A.S.

TermsPrivacyLegal Notice

Physik in unserer Zeit

Mikrowellen manipulieren Bose‐Einstein‐Kondensat

Published Sep 1, 2009• 0 citations
Publisher

Abstract

Abstract Seit geraumer Zeit können atomare Wolken auf Mikrochips (Atomchips) gespeichert und manipuliert werden. Ein Forscherteam um Theodor W. Hänsch und Philipp Treutlein von der Ludwig‐Maximilians‐Universität München und dem Max‐Planck‐Institut für Quantenoptik in Garching hat nun erstmals chip‐basierte atomare Quantengase mit Mikrowellenfeldern manipuliert. Auf diese Weise konnten die Physiker eine Art Doppelspaltexperiment für Atome durchführen.

DOI
10.1002/piuz.200990088

Related papers

Coherent manipulation of ultracold atoms on atom chips

Philipp Treutlein

Diese Dissertation umfasst Experimente und theoretische Überlegungen zur kohärenten Manipulation von ultrakalten Atomen auf einem Atomchip.In Experimenten untersuchen wir den Einfluss der Chipoberfläche auf die Kohärenz von Superpositionen interner atomarer Zustände und realisieren eine Chip-basierte Atomuhr.Weiterhin werden detaillierte theoretische Vorschläge für ein Atomchip-Quantengatter sowie für die Kopplung von Bose-Einstein-Kondensaten an nanoelektromechanische Systeme gemacht.Wir fangen Atome in einer magnetischen Mikrofalle auf einem Chip und präparieren sie in einer kohärenten Superposition zweier interner Zustände, deren magnetisches Moment nahezu identisch ist.Mit Hilfe von Ramsey-Interferometrie wird untersucht, welchen Einfluss die Wechselwirkungen mit der Chipoberfläche auf die Kohärenz der Zustände haben.In Abständen von 5 -130 µm von der Oberfläche beobachten wir Kohärenzzeiten und Lebensdauern der Atome von über 1 s.Die Atome in der Chipfalle weisen eine vergleichbare Kohärenzzeit auf wie Atome in makroskopischen Magnetfallen.Bei kleineren Abständen beobachten wir einen Verlust von Atomen aufgrund des anziehenden Casimir-Polder-Oberflächenpotentials.Die guten Kohärenzeigenschaften ermöglichen es uns, eine Atomuhr auf dem Mikrochip zu realisieren.Eine Messung der relativen Frequenzstabilität ergibt 1.7 × 10 -11 (τ [s]) -1/2 .Wir zeigen einfache Verbesserungen auf, mit denen sich eine Stabilität von 10 -13 (τ [s]) -1/2 erreichen lassen sollte.Eine solche Uhr könnte Anwendungen als portabler sekundärer Frequenzstandard sowie in der Satellitennavigation finden.Das von uns untersuchte Zustandspaar kann für die Quanteninformationsverarbeitung verwendet werden.Dazu machen wir einen detaillierten theoretischen Vorschlag für ein Kollisions-Quantengatter auf einem Atomchip.Ein wesentlicher Bestandteil des Gatters sind zustandsselektive Potentiale, die durch Mikrowellen-Nahfelder erzeugt werden.Diese neuartigen Potentiale verbinden Eigenschaften von optischen Dipolpotentialen mit denen magnetischer Nahfeldfallen.Wir beschreiben das Design und die Fabrikation eines mehrlagigen Atomchips für Experimente mit Mikrowellen-Nahfeldern. Über die quantenmechanische Manipulation von Atomen hinaus ermöglichen Atomchips neue Experimente im Grenzbereich von Quantenoptik und Festkörperphysik.Atomare Bose-Einstein-Kondensate könnten zum Beispiel an die Schwingungen eines mechanischen Nanoresonators gekoppelt werden.Wir analysieren dieses System theoretisch und zeigen, dass es ein mechanisches Analogon zur Resonator-Quantenelektrodynamik im Regime starker Kopplung darstellt.

•Jan 1, 2008•11 citations

Bose-Einstein-Kondensate in Mikrochip-Fallen

Peter Hommelhoff

In der vorliegenden Arbeit wird die erstmalige Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats in einer Mikrochip-Falle beschrieben; dies ist eine Magnetfalle für Neutralatome, die mithilfe stromführender Leiterbahnen auf einem Chipsubstrat gebildet wird. Die Eigenschaften dieser Chipfallen, speziell die hohen Magnetfeldgradienten und -krümmungen, haben es ermöglicht, die Bose-Einstein-Kondensation in weniger als einer Sekunde Verdampfungskühlzeit zu erreichen, was rund eine Größenordnung schneller als in bisher verwendeten Magnetfallen ist und ein Faktor drei schneller als auf dem bisher schnellsten Weg in einer optischen Dipolfalle. Damit verbunden sind die Ansprüche an den experimentellen Aufbau, insbesondere das Vakuumsystem und den Laseraufbau, deutlich gesunken. Weiterhin wird der zerstörungsfreie Transport des Bose-Einstein-Kondensats entlang der Chipoberfläche über makroskopische Distanzen demonstriert wie auch erstmalig die Aufspaltung eines Kondensates in zwei getrennte Kondensate mit rein magnetischen Mitteln. Diese Resultate, nämlich kohärente Materie in einem integrierten atomoptischen System manipulieren zu können, lassen hoffen, daß in naher Zukunft Anwendungen wie Atominterferometrie, Untersuchungen zu niederdimensionalen Quantengasen und Quanteninformationsverarbeitung "on-chip" verwirklicht werden können.

•Jan 1, 2002•2 citations

Lichtstift für Atome

Abstract In einem Quantengas aus Rubidiumatomen haben Physiker des Max‐Planck‐Instituts für Quantenoptik und der Ludwig‐Maximilians‐Universität München zielgenau einzelne Spins manipuliert. Das Experiment schafft eine Voraussetzung, um mit Atomen Information zu verarbeiten. Darüber hinaus eröffnet es neue Möglichkeiten, um Quantenprozesse wie das Tunneln zu untersuchen.

Physik in unserer Zeit•May 1, 2011•0 citations

Quantenoptik: Makroskopische Quantenphysik mit Bose‐Einstein‐Kondensaten: Solitonen und Wirbel geben Aufschluss über die Suprafluidität kalter atomarer Quantengase

K. Sengstock, Wolfgang A. Ertmer, Maciej Lewenstein

Abstract Die Bose‐Einstein‐Kondensation schwach wechselwirkender atomarer Gase hat sich in den letzten Jahren zu einem äußerst dynamischen Forschungsfeld entwickelt. Quantenphänomene wie Suprafluidität, kollektive Anregungen, Vier‐Wellen‐Mischung von Materiewellen und Atomlaser‐Verstärker können in diesen Systemen auf makroskopischer Skala untersucht und direkt mit optischen Methoden sichtbar gemacht werden. In diesem Beitrag stellen wir einige der jüngsten Entwicklungen der Physik mit Bose‐Einstein‐Kondensaten vor, insbesondere die gezielte Präparation von makroskopischen Quantenzuständen, wie Vortices (englisch für Wirbel) und Solitonen.

Physikalische Blätter•Mar 1, 2001•3 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

Erster Atomlaser mit kontinuierlichem Auskoppler Materiewellen im Gleichschritt

Immanuel Bloch, Theodor W. Hänsch, Tilmann Esslinger

Abstract Vor nahezu 40 Jahren gelang mit der Entwicklung des ersten Lasers ein wissenschaftlicher Durchbruch. Die Frequenz, Intensität und Richtung von optischen Wellen konnte erstmals mit einer größtmöglichen Genauigkeit festgelegt werden. Physikern an der Ludwig‐Maximilians‐Universität in München und dem Max‐Planck‐Institut für Quantenoptik in Garching gelang es Kürzlich, eine Strahlquelle für Atome mit laserartigen Eigenschaften zu bauen, die eine kontinuierliche Materiewelle aussendet [1].

Physik in unserer Zeit•Jan 1, 1999•2 citations
Abstract Seit geraumer Zeit können atomare Wolken auf Mikrochips (Atomchips) gespeichert und manipuliert werden. Ein Forscherteam um Theodor W. Hänsch und Philipp Treutlein von der Ludwig‐Maximilians‐Universität München und dem Max‐Planck‐Institut für Quantenoptik in Garching hat nun erstmals chip‐basierte atomare Quantengase mit Mikrowellenfeldern manipuliert. Auf diese Weise konnten die Physiker eine Art Doppelspaltexperiment für Atome durchführen.
Diese Dissertation umfasst Experimente und theoretische Überlegungen zur kohärenten Manipulation von ultrakalten Atomen auf einem Atomchip.In Experimenten untersuchen wir den Einfluss der Chipoberfläche auf die Kohärenz von Superpositionen interner atomarer Zustände und realisieren eine Chip-basierte Atomuhr.Weiterhin werden detaillierte theoretische Vorschläge für ein Atomchip-Quantengatter sowie für die Kopplung von Bose-Einstein-Kondensaten an nanoelektromechanische Systeme gemacht.Wir fangen Atome in einer magnetischen Mikrofalle auf einem Chip und präparieren sie in einer kohärenten Superposition zweier interner Zustände, deren magnetisches Moment nahezu identisch ist.Mit Hilfe von Ramsey-Interferometrie wird untersucht, welchen Einfluss die Wechselwirkungen mit der Chipoberfläche auf die Kohärenz der Zustände haben.In Abständen von 5 -130 µm von der Oberfläche beobachten wir Kohärenzzeiten und Lebensdauern der Atome von über 1 s.Die Atome in der Chipfalle weisen eine vergleichbare Kohärenzzeit auf wie Atome in makroskopischen Magnetfallen.Bei kleineren Abständen beobachten wir einen Verlust von Atomen aufgrund des anziehenden Casimir-Polder-Oberflächenpotentials.Die guten Kohärenzeigenschaften ermöglichen es uns, eine Atomuhr auf dem Mikrochip zu realisieren.Eine Messung der relativen Frequenzstabilität ergibt 1.7 × 10 -11 (τ [s]) -1/2 .Wir zeigen einfache Verbesserungen auf, mit denen sich eine Stabilität von 10 -13 (τ [s]) -1/2 erreichen lassen sollte.Eine solche Uhr könnte Anwendungen als portabler sekundärer Frequenzstandard sowie in der Satellitennavigation finden.Das von uns untersuchte Zustandspaar kann für die Quanteninformationsverarbeitung verwendet werden.Dazu machen wir einen detaillierten theoretischen Vorschlag für ein Kollisions-Quantengatter auf einem Atomchip.Ein wesentlicher Bestandteil des Gatters sind zustandsselektive Potentiale, die durch Mikrowellen-Nahfelder erzeugt werden.Diese neuartigen Potentiale verbinden Eigenschaften von optischen Dipolpotentialen mit denen magnetischer Nahfeldfallen.Wir beschreiben das Design und die Fabrikation eines mehrlagigen Atomchips für Experimente mit Mikrowellen-Nahfeldern. Über die quantenmechanische Manipulation von Atomen hinaus ermöglichen Atomchips neue Experimente im Grenzbereich von Quantenoptik und Festkörperphysik.Atomare Bose-Einstein-Kondensate könnten zum Beispiel an die Schwingungen eines mechanischen Nanoresonators gekoppelt werden.Wir analysieren dieses System theoretisch und zeigen, dass es ein mechanisches Analogon zur Resonator-Quantenelektrodynamik im Regime starker Kopplung darstellt.
In der vorliegenden Arbeit wird die erstmalige Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats in einer Mikrochip-Falle beschrieben; dies ist eine Magnetfalle für Neutralatome, die mithilfe stromführender Leiterbahnen auf einem Chipsubstrat gebildet wird. Die Eigenschaften dieser Chipfallen, speziell die hohen Magnetfeldgradienten und -krümmungen, haben es ermöglicht, die Bose-Einstein-Kondensation in weniger als einer Sekunde Verdampfungskühlzeit zu erreichen, was rund eine Größenordnung schneller als in bisher verwendeten Magnetfallen ist und ein Faktor drei schneller als auf dem bisher schnellsten Weg in einer optischen Dipolfalle. Damit verbunden sind die Ansprüche an den experimentellen Aufbau, insbesondere das Vakuumsystem und den Laseraufbau, deutlich gesunken. Weiterhin wird der zerstörungsfreie Transport des Bose-Einstein-Kondensats entlang der Chipoberfläche über makroskopische Distanzen demonstriert wie auch erstmalig die Aufspaltung eines Kondensates in zwei getrennte Kondensate mit rein magnetischen Mitteln. Diese Resultate, nämlich kohärente Materie in einem integrierten atomoptischen System manipulieren zu können, lassen hoffen, daß in naher Zukunft Anwendungen wie Atominterferometrie, Untersuchungen zu niederdimensionalen Quantengasen und Quanteninformationsverarbeitung "on-chip" verwirklicht werden können.
Abstract Die Bose‐Einstein‐Kondensation schwach wechselwirkender atomarer Gase hat sich in den letzten Jahren zu einem äußerst dynamischen Forschungsfeld entwickelt. Quantenphänomene wie Suprafluidität, kollektive Anregungen, Vier‐Wellen‐Mischung von Materiewellen und Atomlaser‐Verstärker können in diesen Systemen auf makroskopischer Skala untersucht und direkt mit optischen Methoden sichtbar gemacht werden. In diesem Beitrag stellen wir einige der jüngsten Entwicklungen der Physik mit Bose‐Einstein‐Kondensaten vor, insbesondere die gezielte Präparation von makroskopischen Quantenzuständen, wie Vortices (englisch für Wirbel) und Solitonen.
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.
Abstract Vor nahezu 40 Jahren gelang mit der Entwicklung des ersten Lasers ein wissenschaftlicher Durchbruch. Die Frequenz, Intensität und Richtung von optischen Wellen konnte erstmals mit einer größtmöglichen Genauigkeit festgelegt werden. Physikern an der Ludwig‐Maximilians‐Universität in München und dem Max‐Planck‐Institut für Quantenoptik in Garching gelang es Kürzlich, eine Strahlquelle für Atome mit laserartigen Eigenschaften zu bauen, die eine kontinuierliche Materiewelle aussendet [1].