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Bose-Einstein-Kondensation

Seminarvortrag, 29.4.02. Bose-Einstein-Kondensation. Theorie und Experimente. Stefan Gerlach. Theorie Quantenstatistik Experimentelle Methoden Kühlungsmethoden Evaporatives Kühlen in Magnetfallen Beobachtung Wichtige Experimente Interferenz, Atomlaser „BEC on chip“ Ausblick.

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Bose-Einstein-Kondensation

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Presentation Transcript

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

  2. Theorie • Quantenstatistik • Experimentelle Methoden • Kühlungsmethoden • Evaporatives Kühlen in Magnetfallen • Beobachtung • Wichtige Experimente • Interferenz, Atomlaser • „BEC on chip“ • Ausblick

  3. S.N. Bose(1924): • quantenstatistische Betrachtungen von Photonen • A. Einstein (1924/25): • Awendung der Bose-Statistik auf Materiewellen • BEC eines idealen Quantengases vorhergesagt • Ketterle, Cornell und Wieman(1995): • erste experimentelle Realisierung von BEC • Nobelpreis 2001

  4. thermische de-Broglie-Wellenlänge makroskopische Besetzung des Grundzustandes unterhalb einer kritischen Temperatur : Phasenübergang : z.B. 23Na mit n=1014cm-3 : Tc=1,5 µK

  5. Der Weg zum Kondensat T groß : Teilchen T klein : Wellenpakete TC : Phasenübergang BEC

  6. Wechselwirkungsfreie Atome d.h. Reichweite a der Wechselwirkung deutlich kleiner alsAbstand d=n-1/3 der Atome z.B. • Suprafluidität bei 4He (n=10²²cm-3,a=2,7Å) : 0,2 • BEC : 10-5-10-11

  7. Quantenmechanik und BEC • Beschreibung des BEC mit einer Wellenfunktion • Dynamik : Gross-Pitaevskii-Gleichung (nichtlineare Schrödingergleichung) • leicht numerisch lösbar • gute Übereinstimmung mit den Experimenten • Berechnung von Solitonen und Wirbeln

  8. Erzeugung eines BEC • Laserkühlung - MOT - magnetische Falle

  9. Potential : V x 0 Magnetische Fallen Quadrupolfalle Reale Magnetfalle(Ioffe-Pritchard) mF=-1 typisch : 200 G/cm

  10. Evaporatives Kühlen

  11. 4,71 MHz 4,23 MHz 4,10 MHz JILA 1995, BEC aus 2000 87Rb-Atomen T  Tc T < Tc T << Tc <

  12. 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.)

  13. Nachweis von BEC • Expansion der Wolke Absorptionsmessung 87Rb, 106 Atome 2-Komponenten Atomwolke TOF Spektren Helium,5·103 Atome

  14. Kohärenz von BEC Ketterle (MIT), 1996

  15. Atomlaser - Theorie • T < Tc: 2 gekoppelte Gross-Pitaevskii-Gleichungen für die Wellenfunktionen 1 des BEC und 2 des Atomlasers • Lösungen: • kurze Einstrahlung : 2-Niveau-Rabi-Problem • lange Einstrahlung : schmalbandiger Atomlaser

  16. Atomlaser Gallerie Übergang zum Kondensat

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

  18. Aktuelle Forschung an BEC • Dynamik • kalte Stöße • Schall und Solitonen (nichtlineare Phänomene) • kollektive Anregungszustände (Wirbel) • Materiewellenverstärkung • kontinuierlicher Atomlaser • Nanotechnologie • Mikrofallen : „BEC on chip“ • Quantenkommunikation und -verschlüsselung • Atomoptik • BEC in optischen Gittern • Atominterferometer

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