Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen. Laserkühlung. Sören Riechers. 28. April 2010

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1 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen 28. April 2010

2 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Inhaltsverzeichnis 1 Motivation Warum? Anwendungen 2 Historisches Beschleunigung mit Lasern Kühlung mit Lasern 3 Dopplerkühlen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung 4 Probleme Magnetooptische Falle Rückpumpen Laserfrequenz 5 Quellen

3 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Warum? Anwendungen Warum brauchen wir das? Warum wollen wir Atome und Moleküle auf eine niedrige Temperatur abkühlen?

4 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Warum? Anwendungen Warum brauchen wir das? Warum wollen wir Atome und Moleküle auf eine niedrige Temperatur abkühlen? Atome und Moleküle haben ungekühlt zu große Geschwindigkeiten, um genau beobachtet zu werden. Ein besseres Verständnis der Quantenphysik kann durch Kühlung und eine damit verbundene Verringerung der Geschwindigkeit erreicht werden.

5 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Warum? Anwendungen Verschiedene Anwendungen Aufnahme von Atom-Spektren Anwendung in Atomuhren Optische Pinzette Bose-Einstein-Kondensat

6 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Beschleunigung mit Lasern Kühlung mit Lasern Albert Einstein Albert Einstein * , Ulm, Deutschland d , Princeton, USA

7 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Beschleunigung mit Lasern Kühlung mit Lasern Otto R. Frisch Otto Robert Frisch * , Wien, Österreich d , Cambridge, Großbritannien

8 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Beschleunigung mit Lasern Kühlung mit Lasern Steven Chu Steven Chu * , St. Louis, USA 1985: Sodium Atome: Ca. 240µK ( = 30cm/s).

9 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Beschleunigung mit Lasern Kühlung mit Lasern William D. Phillips William Daniel Phillips * , Wilkes-Barre, USA 1988: Sodium Atome: 40µK

10 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Beschleunigung mit Lasern Kühlung mit Lasern Claude Cohen-Tannoudji Claude Cohen-Tannoudji * , Constantine, Algerien 1995: Helium Atome: 0, 18µK ( = 2cm/s)

11 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Atome mit einem Laser beschleunigen Durch Auftreffen von Photonen auf Atome wechselt das Atom in den angeregten Zustand. Dadurch erhält das Atom in der Richtung des Lasers einen Impuls von p = h λ.

12 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Atome mit einem Laser beschleunigen Durch Auftreffen von Photonen auf Atome wechselt das Atom in den angeregten Zustand. Dadurch erhält das Atom in der Richtung des Lasers einen Impuls von p = h λ. Aber: Wollen wir Atome nicht bremsen statt in eine Richtung beschleunigen? Doch. Das ist auch möglich, wie wir gleich sehen werden.

13 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Absorption Photonen treffen auf das Atom. Übertrifft die Energie des jeweiligen Photons die Aktivierungsenergie des Atoms ( Resonanzfrequenz ), so wechselt ein Elektron auf eine höhere Elektronenbahn und das Photon wird auf diese Weise vom Atom aufgenommen. Abbildung: Absorption eines Photons beim Natrium-Atom

14 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Mindestenergie eines Photons Energie eines Photons: E Photon = h ν (h plancksches Wirkungsquantum, ν Frequenz des Photons) Ist nun E Aktivierung die jeweilige Aktivierungsenergie des Atoms, so muss für die Frequenz des Photons folglich ν E Aktivierung h gelten.

15 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Spontane Emission Nach sehr kurzer Zeit wechselt das Atom zurück in den Grundzustand und das Photon wird in eine zufällige Richtung wieder abgestrahlt. Abbildung: Spontane Emission eines Photons beim Natrium-Atom

16 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Frequenz des abgestrahlten Photons Das abgestrahlte Photon besitzt jetzt die Frequenz ν = E Aktivierung h ( Resonanzfrequenz ). Die Summe der Impulse der emittierten Photonen gegenüber denen der absorbierten kann vernachlässigt werden.

17 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Erste Beobachtungen In einem Versuch bestätigte Otto Frisch 1933 zum ersten Mal die beschleunigende Wirkung von Lichtquanten auf Atome (hier Natrium-Atome).

18 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Dopplereffekt Dopplereffekt entsteht wegen hoher Geschwindigkeiten der Atome ( 500km/h).

19 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Dopplereffekt Dopplereffekt entsteht wegen hoher Geschwindigkeiten der Atome ( 500km/h). Aus Sicht von Atomen, die auf die Quelle eines Laserstrahls zufliegen, ist die Frequenz des Strahls größer (bzw. die Wellenlänge kleiner) als aus Sicht von Atomen, die von der Quelle des Strahls wegfliegen.

20 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Auswirkung des Dopplereffekts Unter Einfluss des Dopplereffekts gilt für die Frequenz: ( ν Doppler = ν 0 1 v ) c (v Geschwindigkeit des Atoms in paralleler Richtung des Lasers)

21 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Dopplerverschiebung Man möchte die Bremswirkung verstärken und die Beschleunigungswirkung schwächen.

22 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Dopplerverschiebung Man möchte die Bremswirkung verstärken und die Beschleunigungswirkung schwächen. Man verringert die Frequenz des Laserstrahls gegenüber der Resonanzfrequenz der Atome. Abbildung: Verschiebung der Frequenz des Laserstrahls

23 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Grundidee Leitungsband Dopplerverschiebung Dopplerkühlung Dopplerkühlung Anordnung von insgesamt sechs Laserstrahlen bewirkt eine Entschleunigung und damit Kühlung der Atome. ( Optische Melasse ) Abbildung: Laseranordnung bei der Dopplerkühlung

24 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Magnetooptische Falle Rückpumpen Laserfrequenz Atome diffundieren Atome können nun zwar gebremst werden, aber können immer noch aus dem beobachteten Bereich heraus diffundieren.

25 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Magnetooptische Falle Rückpumpen Laserfrequenz Magnetooptische Falle Abbildung: Anordnung bei der magnetooptischen Falle

26 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Magnetooptische Falle Rückpumpen Laserfrequenz Rückpumpen bei realen Atomen In der Praxis gibt es kein perfektes Zweizustandssystem. Abbildung: Rückpumpen beim Rubidium-Atom

27 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Magnetooptische Falle Rückpumpen Laserfrequenz Konstanz der Laserfrequenz Es benötigt einen komplizierten Aufbau, um die Laserfrequenz trotz Temperaturschwankungen und mechanischen Bewegungen konstant zu halten.

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29 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Quellen Paul A. Tipler, Physik, 1. Auflage Prof. Dr. Dieter Suter, Universität Dortmund, Laserspektroskopie (Skript) Advanced Optics Laboratory, Ben-Gurion University of the Negev, Laser cooling and trapping (Skript) Verschiedene Artikel (, Atomuhr, Laser cooling),

30 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Fragen?

31 Motivation Historisches Dopplerkühlen Probleme Quellen Fragen? Danke für Eure Aufmerksamkeit!