18
Bose-Einstein- Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Bose-Einstein-Kondensation

Theorie und Experimente

Stefan Gerlach

Seminarvortrag, 29.4.02

Page 2: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

TheorieQuantenstatistik

Experimentelle MethodenKühlungsmethodenEvaporatives Kühlen in MagnetfallenBeobachtung

Wichtige ExperimenteInterferenz, Atomlaser„BEC on chip“

Ausblick

Page 3: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

S.N. Bose(1924):quantenstatistische Betrachtungen von Photonen

A. Einstein (1924/25): Awendung der Bose-Statistik auf MateriewellenBEC eines idealen Quantengases vorhergesagt

Ketterle, Cornell und Wieman(1995):erste experimentelle Realisierung von BEC Nobelpreis 2001

Page 4: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

makroskopische Besetzung des Grundzustandes unterhalb einer kritischen Temperatur :

thermische de-Broglie-Wellenlänge mkTh

2

23

0 1

cTT

NN )( cTT

612.23 nPhasenübergang :

z.B. 23Na mit n=1014cm-3 : Tc=1,5 µK

Page 5: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Der Weg zum KondensatT groß : Teilchen

T klein : Wellenpakete

TC : Phasenübergang

BEC

Page 6: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Wechselwirkungsfreie Atome

d.h. Reichweite a der Wechselwirkung deutlich kleiner als Abstand d=n-1/3 der Atome

13 na

z.B.•Suprafluidität bei 4He (n=10²²cm-3,a=2,7Å) : 0,2•BEC : 10-5-10-11

Page 7: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Quantenmechanik und BEC

Beschreibung des BEC mit einer WellenfunktionDynamik : Gross-Pitaevskii-Gleichung (nichtlineare Schrödingergleichung)

),()),()(2

(),( 22

ttgVm

tt

i ext rrrr

- leicht numerisch lösbar- gute Übereinstimmung mit den Experimenten- Berechnung von Solitonen und Wirbeln

),( tr

Page 8: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Erzeugung eines BECLaserkühlung - MOT - magnetische Falle

Page 9: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Magnetische Fallen

BmV BFPotential :

Reale Magnetfalle(Ioffe-Pritchard)Quadrupolfalle

mF=-1V

x0typisch : 200 G/cm

Page 10: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Evaporatives Kühlen

Page 11: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

JILA 1995, BEC aus 2000 87Rb-Atomen

4,71 MHz 4,23 MHz 4,10 MHz

T Tc T < Tc T << Tc

<

Page 12: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

87Rb, Juni 1995 (JILA, E.Cornell et al.)7Li, Juli 1995 (Rice Univ., R. Hulet et al.)23Na, Sept. 1995 (MIT, W. Ketterle et al.)1H, Juni 1998 (MIT, D. Kleppner et al.)4He*, Feb. 2001 (ENS, A. Aspect et al.)

Page 13: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Nachweis von BECExpansion der Wolke

Absorptionsmessung 87Rb, 106

Atome2-Komponenten Atomwolke

TOF Spektren Helium,5·103 Atome

Page 14: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Kohärenz von BEC

Ketterle (MIT), 1996

Page 15: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Atomlaser - TheorieT < Tc: 2 gekoppelte Gross-Pitaevskii-Gleichungen für die Wellenfunktionen 1 des BEC und 2 des Atomlasers

Lösungen:kurze Einstrahlung : 2-Niveau-Rabi-

Problemlange Einstrahlung : schmalbandiger

Atomlaser

212

22

1

2

1 ))(2

( tiFalle

rfeVgmgzmt

i

122

22

1

2

2 ))(2

( ti rfegmgzmt

i

Page 16: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

AtomlaserÜbergang zum KondensatGallerie

Page 17: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

„BEC on chip“Juni 2001, T. W. Hänsch (MPI für Quantenoptik)BEC aus 6000 Rb Atome in einer MikrofalleMiniaturisierung von Quantencomputern, Atom-Uhren und effektive Realisierung von Quantenkommunikations- und Verschlüsselungssystemen

Page 18: Bose-Einstein-Kondensation Theorie und Experimente Stefan Gerlach Seminarvortrag, 29.4.02

Aktuelle Forschung an BECDynamik

kalte StößeSchall und Solitonen (nichtlineare Phänomene)kollektive Anregungszustände (Wirbel)

Materiewellenverstärkungkontinuierlicher Atomlaser

NanotechnologieMikrofallen : „BEC on chip“Quantenkommunikation und -verschlüsselung

AtomoptikBEC in optischen GitternAtominterferometer