5. Lichtkräfte und Laserkühlung. 5.1 Lichtkräfte 5.2 Dopplerkühlung 5.3 Konservative Kräfte

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1 Inhalt 5. Lichtkräfte und Laserkühlung 5.1 Lichtkräfte 5.2 Dopplerkühlung 5.3 Konservative Kräfte

2 Kräfte und Potenzial E d F

3 Impulsübertrag E = hω p = hk k E = 0 p = 0 experimentelle Situation Absorption Absorption ist gerichtet Emission ist isotrop } Kraft Laserstrahl mittlere Kraft = 0 } E = hω p = hk

4 Beschleunigung maximaler Effekt: n 10 8 Absorptionszyklen pro Sekunde resultierende Beschleunigung = n hk = sec M 6 m atom sec 2 ~ g Space shuttle : 3g

5 Das erste Experiment R. Frisch, Z. Phys. 86, (1933).

6 Das erste Experiment Lichteinfall R. Frisch, Z. Phys. 86, (1933).

7 Spontane Streukraft F = r h k

8 Streurate Streurate r Γ 1 2 ω 0 2 ω 0

9 Dopplerverschiebung Bewegte Atome v Streurate r Γ 1 2 ω 0

10 Kraft Kraft Absorption k v k v ω 0 - k v ω 0 ω 0 + k v Laserfrequenz

11 Geschwindigkeit Maxwell-Boltzmann Verteilung

12 Rückstoßverschiebung 100 Photonen : 5 MHz 1 Photon : 50 khz homogene Linie ~ 5 MHz homogene Linie ~ 5 MHz inhomogene Linie ~ 500 MHz ω 0 ω L ω 0

13 Frequenzchirp P(v) Geschwindigkeit v v Laserfrequenz Ort, Zeit

14 Zeeman-Tuning B Ortsabhängiges B-Feld Zeeman Doppler x ω L Beispiel eines Zeeman-slower s

15 Optische Molasse Atom fliegt auf Laser zu vom Laser weg Dopplerverschiebung: ω L ω rotverstimmt Laserfrequenz F = - η v

16 Optische Melasse rotverstimmt Laserfrequenz F = - η v

17 Optische Molasse Kraft / N 1 0 ω 0 = Γ /2 resonant für Laser starke Absorption starke Kraft nicht resonant für Laser wenig Absorption geringe Kraft -1 Einfangbereich Atomare Geschwindigkeit / m sec -1

18 Laser Geschwindigkeitsdiffusion p abs p 0 p p em

19 Historische Entwicklung 1. Vorschlag : T.W. Hänsch and A.L. Schawlow ( 1975) D. Wineland and H. Dehmelt, (1975). 1. Experiment : S. Chu, L. Hollberg, J.E. Bjorkholm, A. Cable, and A. Ashkin (1985). 2 Γ außerdem: Minimal erreichbare Temperatur : T min = hγ 2k B = 240 µk (for Na) Erreichte Temperatur: Chu µk Lett µk Chu fk - Speicherzeit zu lang - Empfindlichkeit auf Imperfektionen zu niedrig " In virtually all respects, the optical cooling of atoms has worked far better than anticipated; the work is a rare but spectacular violation of Murphy's law" S. Chu, Science 253, 861 (1991)

20 Magnetfeld-Gradient z Position σ - σ + m J = σ - σ + σ - σ + m J =0 m J =0

21 Magneto-Optische Fallen Kraft B-Feld I Ort B sollen Atome kühlen und festhalten Dazu muss die Kraft eine ortsabhängige rücktreibende Komponente enthalten I

22 Abbremsen + Einfangen Quelle Kollimator

23 Ionenkristalle H. Walther, MPQ Garching 50 µm

24 Atomarer Springbrunnen Mikrowellenoszillator (π/2 Puls) Laserkühlung Detektionszone

25 Atomarer Springbrunnen Besetzung des angeregten Zustandes Verstimmung δ / Hz

26 Bose-Einstein Statistik nicht-unterscheidbare Bosonen 1 Besetzung p(e) Boltzmann Bose-Einstein Energie E

27 Bose-Einstein Kondensation Hohe Temperatur Tiefe Temperatur T crit : l DB ~ d T=0 v λ db thermische Geschwindigkeit v Kugeln Wellenpakete de Broglie Wellenlänge Bose-Einstein Kondensation Reines Bose-Einstein Kondensat Makroskopischer Quantenzustand

28 Bose-Einstein Kondensation Anzahl Publikationen pro Jahr zu Bose und Einstein Publikationen pro Jahr 1. BEC Jahr Nobelpreisvortrag Wolfgang Ketterle

29 Bose-Einstein Kondensation

30 Bose-Einstein Kondensation

31 Atomlaser 2 mm gepulster Atomlaser mit 200 Hz

32 Materie-Verstärker Input wurde ohne Laser durch das BEC geschickt keine Verstärkung Laser aktiviert Verstärkung Verstärkung

33 Interferenzeffekte Interferenz 2er BEC s Flusslinien in rotierenden BEC s

34 Induzierter Dipol langsame Anregung Dipol in Phase E d - E. d < 0 schnelle Anregung Dipol außer Phase - E. d > 0 E d ω 0 ω Kraft zum hohen Feld Kraft zum niedrigen Feld

35 Optische Kräfte Dipolkraft dominiert Richtung zum Feldmaximum Spontane Streukraft dominiert Dipolkraft dominiert Richtung zum Feldminimum Dipolkraft Dispersion Spontane Streukraft Absorption ω 0 ω

36 Kraft beim Fokus F d F sp

37 Optische Pinzetten S. Chu, 'The manipulation of neutral particles', Rev. Mod. Phys. 70, (1998).

38 Optische Pinzetten S. Chu, 'Laser trapping of neutral particles', Scientific American February 1992, (1992).

39 Anwendung Anwendung: Messung der Elastizität einer äußeren Haarzelle des Innenohrs

40 Stehwellen Alt et al., PRA 67, (2003)

41 Atomare Sortiermaschine Miroshnychenko et al., Nature 442, 151 (2006) y 40 vorher x 1 2 VDT 3 d t HDT Final Distance / µm Initial Distance / µm nachher

42 Reflexion von Atomen V Laser Glas n > 1 Vakuum

43 Atom-Resonator Cs

44 Zeit / ms Springende Atome # Atome

45 Springendes BEC 2 ms BEC thermisch Bongs et al., Phys. Rev. Lett. 83, 3577 (1999).

46 Strahlteiler Atomstrahl k Stehendes Laserfeld p 0 +2hk p 0 p 0 p 0-2hk

47 Linsen und Wellenleiter Copropagierend Gaußförmig Copropagierend TEM 01 Senkrechte Stehwelle ω 0 > 0 ω 0 < 0 ω 0 > 0 Intensität Intensität Intensität

48 Lithographie Atome Höhe / µm Position / µm