Kalte Atome. Gerhard Birkl. Die kälteste Materie im Universum. Institut für Angewandte Physik Technische Universität Darmstadt

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1 Kalte Atome Die kälteste Materie im Universum Saturday Morning Physics Gerhard Birkl Institut für Angewandte Physik Technische Universität Darmstadt Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

2 Was ist kalt? Aktuell in Darmstadt um 9:00: Temperatur: ca 6 C Wettervorhersage nach wetter.de Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

3 Was ist kalt? Niedrigste jemals auf der Erde in natürlicher Umgebung gemessene Temperatur: - 89 C (21. Juli 1983) Vostok, Antarktis Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

4 Was ist Temperatur? - Temperaturskalen Was ist Temperatur? Ein Maß für den Energieinhalt eines Körpers Gibt es eine bevorzugte Temperaturskala? Alle Skalen in gleichberechtigt, aber abhängig von der Anwendung sind manche geeigneter als andere. Was passiert am absoluten Nullpunkt? Extrem spannende Physik!! Quelle: physik05.hs-niederrhein.de Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

5 Die niedrigsten natürlich vorkommenden Temperaturen Auf der Erde: 184 K = - 89 C Vostok, Antarktis Im Sonnensystem: 38 K Im Universum: 2,73 K Hintergrundstrahlung des interstellaren Raumes Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP Quelle: ESA and the Planck Collaboration Triton (größter Mond des Neptun)

6 Kälter als in der freien Natur wird es in einem Physik-Labor! Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

7 Temperatur Temperatur 5800 K Sonnenoberfläche 100 C = 373,15 K 0 C = 273,15 K 77 K 10 K kochendes Wasser gefrierendes Wasser Flüssiger Stickstoff Supraleitung 1 mk flüssiges Helium 10 millionstel Kelvin = 10 μk 1 millionstel Kelvin = 1 μk 100 milliardstel Kelvin = 100 nk Entmagnetisierung Laserkühlung Bose-Einstein Kondensation Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

8 Temperatur von Gasen und Teilchenbewegung 5800 K Temperatur Sonnenoberfläche Geschwindigkeit 2000 m/s 100 C = 373,15 K 0 C = 273,15 K 77 K 10 K kochendes Wasser gefrierendes Wasser Flüssiger Stickstoff Supraleitung 700 m/s 500 m/s 250 m/s 100 m/s 1 mk flüssiges Helium 1 m/s 10 millionstel Kelvin = 10 μk 1 millionstel Kelvin = 1 μk 100 milliardstel Kelvin = 100 nk Entmagnetisierung Laserkühlung Bose-Einstein Kondensation 10 cm/s 3 cm/s 1 cm/s HTML - Animationen: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

9 Anwendung von Laserlicht Lasershow Laser - Materialbearbeitung Laserpointer Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

10 Kühlen mit Laserlicht? Lasershow Laser - Materialbearbeitung Aber wie kann man mit Laserlicht kühlen? Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

11 Impulsübertrag durch Licht Ein Lichtstrahl überträgt bei Streuung einen Impuls auf Atome und Festkörper: z.b. Kometenschweif Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

12 Abbremsen von Atomen mit Laserlicht Mit einem Lichtstrahl kann bei Absorption gezielt ein Impuls auf Atome übertragen werden, um sie abzubremsen: Lichtstrahl Atom Impuls: p Licht = h/λ p Atom = mv Impuls des Lichtteilchens (Photon) ist viel kleiner als der Impuls des Atoms! Ist dieser Prozess effizient? Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

13 Linienspektrum von chemischen Elementen Jedes chemische Element besitzt spezifische diskrete Absorptions- und Emissionswellenlängen: Wasserstoff Natrium Helium Neon Quecksilber Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

14 Abbremsen von Atomen mit Laserlicht Mit resonantem Laserlicht kann das Abbremsen der Atome sehr effizient erfolgen ( x Erdbeschleunigung und mehr)! Lichtstrahl Atom Impuls: p Licht = h/λ p Atom = mv Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

15 Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht Absorption und Emission Magneto-optische Falle (MOT) Einsatz von 3 Laserstrahlpaaren erlaubt Kühlung und Einfang von Atomen in allen drei räumlichen Dimensionen: Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

16 Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht Simulation der Laserkühlung Magneto-optische Falle (MOT) Einsatz von 3 Laserstrahlpaaren erlaubt Kühlung und Einfang von Atomen in allen drei räumlichen Dimensionen: Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

17 Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht Simulation der Laserkühlung Magneto-optische Falle (MOT) Einsatz von 3 Laserstrahlpaaren erlaubt Kühlung und Einfang von Atomen in allen drei räumlichen Dimensionen: Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

18 Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht Kris Helmerson T > 300 K Natrium-Atome T = 200 μk NIST Niedrigste Temperatur durch Laserkühlung T = 1 μk Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

19 Temperaturmessung Expansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur. Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

20 Nobelpreis für das Kühlen und Fangen mit Laserlicht Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

21 Noch kälter als mit Licht: Kühlen in Magnetfallen Räumlicher Verlauf der Magnetfeldstärke in einer Magnetfalle Kalte Atome werden im Minimum des Magnetfeldes gespeichert. Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP Quelle:

22 Noch kälter als mit Licht: Verdampfungskühlung Verdampfung führt zu einer weiteren Kühlung der Atome. Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP Quelle:

23 Noch kälter als mit Licht: Verdampfungskühlung Absenken der Fallentiefe führt zu Entfernen der energiereichsten Atome Verdampfung führt zu einer weiteren Kühlung der Atome. Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP Quelle:

24 Temperatur nach der Verdampfungskühlung Expansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur. 100 µm T<(400±30) 30)nK T (240±30)nK T (260±30)nK T (140±30) nk T (160±30)nK T (100±30)nK Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

25 Temperatur nach der Verdampfungskühlung Expansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur. 100 µm Verhalten sich T<(400±30) 30)nK T (240±30)nK T (260±30)nK diese Atome noch wie ein normales Gas? T (140±30) nk T (160±30)nK T (100±30)nK Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

26 Temperatur nach der Verdampfungskühlung Expansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur. 100 µm Nein!! T<(400±30) 30)nK T (240±30)nK T (260±30)nK Diese Atome bilden ein Bose-Einstein- Kondensat! T (140±30) nk T (160±30)nK T (100±30)nK Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

27 Was ist Bose-Einstein-Kondensation (BEC)? Quelle: W. Ketterle (MIT) Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

28 Bose-Einstein-Kondensation Bose-Einstein-Kondensation - Theorie: 1925 Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

29 Nobelpreis für die Bose-Einstein-Kondensation Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

30 Nachweis der Bose-Einstein-Kondensation T < T C T < T C T T C Bose-Einstein-Kondensat an der TU Darmstadt ( TU Darmstadt Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

31 Vergleich: Normales Licht - Laserlicht Normales Licht Laserlicht divergent inkohärent viele einzelne Wellen viele Moden Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP beugungsbegrenzt (gerichtet) kohärent eine große Welle eine Mode (monochromatisch) Quelle: W. Ketterle (MIT)

32 Vergleich: Normales Gas Bose-Einstein-Kondensat Normales Gas Bose-Einstein-Kondensat Atome sind unabhängig divergent inkohärent viele einzelne Atome viele Moden Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP Atome bewegen sich gleichförmig beugungsbegrenzt (gerichtet) kohärent eine große Welle eine Mode (monochromatisch) Quelle: W. Ketterle (MIT)

33 Eigenschaften: Kondensate verhalten sich wie Wellen Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP K. Bongs, S. Burger, G. Birkl, K. Sengstock, W. Ertmer, K. Rzazewski, A. Sanpera und M. Lewenstein, Phys. Rev. Lett. 83, 3577 (1999).

34 Interferenz von zwei optischen Wellen Young scher Doppelspaltversuch Quelle: Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

35 Interferenz von zwei optischen Wellen Laserstrahl durch linken Spalt Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

36 Interferenz von zwei optischen Wellen Laserstrahl durch rechten Spalt Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

37 Interferenz von zwei optischen Wellen Zwei überlagerte Laserstrahlen zeigen Interferenz Interferenzstreifen Lichtstrahlen verhalten sich wie Wellen Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

38 Eigenschaften: Interferenz von BECs Zwei Bose-Einstein-Kondensate zeigen Interferenz Bose-Einstein-Kondensate verhalten sich wie Wellen Interferenz von Bose-Einstein-Kondensaten an der TUD Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

39 Rotation von Medien: Strudel und Vortices Wasserstrudel in einem Glas Wirbelsturm Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

40 Eigenschaften (BEC): Vortices und Superfluidität Bose-Einstein- Kondensate zeigen quantisierte Rotation. - 2D Vortexlinienmuster - Rotation wird nicht gedämpft! Quelle: W. Ketterle (MIT) Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

41 Eigenschaften (BEC): Rotierende Kondensate Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

42 Anwendungen: Atomlaser Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

43 Anwendungen: Zeitmessung und Atomuhren Kalte Atome ermöglichen genauere Uhren. Denn: langsame Atome können länger gemessen werden. Cäsium-Atomuhr PTB Braunschweig Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

44 Anwendungen: Positionsbestimmung GPS/GALILEO Kalte Atome ermöglichen genauere Uhren. Genauere Uhren verbessern die Navigation. GPS / GALILEO beruhen auf genauen Uhren auf Satelliten und in Bodenstationen. Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

45 Anwendungen: Quantencomputer Vielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren Quantensystemen als Speichermedium für Quantenbits Quantencomputer Beispiel: Quantenspeicher Speicher besteht aus zweidimensionaler Anordnung von fokussierten Laserstrahlen. Jeder Speicherplatz enthält ein einzelnes lasergekühlten Atom, das die Information trägt und zwar mehr Information als nur 0 oder 1. Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

46 Vergleich mit Klassischem Computer Vielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren klassischen Systemen als Speichermedium für Bits Klassischer Computer Beispiel: Speicherchip Jeder Speicherplatz trägt die Information 0 oder 1. Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

47 Anwendungen: Quantencomputer Vielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren Quantensystemen als Speichermedium für Quantenbits Quantencomputer Beispiel: Quantenspeicher Adressierung jedes Speicherplatzes ist möglich Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

48 Die kälteste Materie im Universum? Frage: Ist ein Bose-Einstein-Kondensat wirklich die kälteste Materie im Universum? Antwort: Guinness-Buch der Rekorde Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

49 Die kälteste Materie im Universum! T = 450 pk T = 450 billionstel Kelvin T = 0, K Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP

50 Zusammensfassung Die kälteste Materie im Universum existiert in Physik-Laboren. Bose-Einstein-Kondensate sind Quantenobjekte mit Temperaturen bis hinunter zu weniger als 1 milliardstel Kelvin (1 nk) über dem absoluten Nullpunkt (derzeit!). Bose-Einstein-Kondensate sind wichtige Objekte für Grundlagenforschung in der Quantenphysik und deren Anwendung. Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. Gerhard Birkl SMP