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Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen

Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice Doppelspaltversuche mit Teilchen: Elektronen Atome, Moleküle Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Beispiel H 2 Quantenkryptographie Lichtgitter

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Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen

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Presentation Transcript

  1. Inhalt • Atome als Quantenmechnische Teilchen • Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice • Doppelspaltversuche mit Teilchen: • Elektronen • Atome, Moleküle • Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission • Beispiel H2 • Quantenkryptographie • Lichtgitter • 1.6.1. Markieren statt ausblenden • 1.6.2. Dipolkraft • 1.6.3. Kapitza Dirac Effekt • 1.6.4. Braggstreuung an Lichtgittern • 7.Atomspiegel • Wechselwirkung mit Atomen • Photon-Atom Wechselwirkung • Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, • Winkel- und Energieverteilungen • Doppelanregung, Interferenzeffekte • Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen • Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse • Atome in starken Laserfeldern • Multiphotonenionisation • Tunnelionisation • Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation • Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien • Ion-Atom Stöße • Elektronentransfer • Ionisation

  2. 1.6.1. Markieren statt ausblenden Spiegel 2p8 Laser 801 nm 1s5 Grund zustand Ar* sieht nur Ar* blind für Ar stehende Lichtwelle • Beugung an einem resonanten • Lichtgitter • Markieren statt Ausblenden • Rolle von Materie und Licht • vertauscht Abfalterer et al PRA 56 R4365 (1997) Abfalterer et al PRA 56 R4365 (1997)

  3. 2p8 1s5 Grund zustand Spiegel Ar* • Laser um • 60 natürliche • Linienbreiten • verstimmt • kein Pumpen • stimulierte • Emission • Atome bleiben Ar* Kapitza Dirac Effekt (1933) (vorhergesagt für Elektronen in Lichtfeldern) Rasel et al PRL 75 2633 (1995), erstmals: Gould et al PRL 56 827 (1986)

  4. Dipolkraft

  5. Welche Kräfte lenken die Atome ab: • Dipolkraft: • Feld induziert atomaren Dipol • Polarisierbarkeit hängt von der • Verstimmung ab • inomogenes Feld übt • Kraft auf Dipol aus

  6. 2p8 Spiegel 1s5 Grund zustand Wellenbild: reelles optische Potential bewirkt ortsabhängige Phasenverschiebung Lichtoptisches Analogon: Phasengitter Anwendung: Ultraschallwelle in Flüssigkeiten Rasel et al PRL 75 2633 (1995) Ar*

  7. Teilchenbild: Breite Aufstreuung! QM: Ortsabhängige Phasenmodulation

  8. Spiegel 2p8 Teilchenbild: im inhomogenen Feld Ar* 1s5 Grund zustand netto: 2 n hk + stimulierte Emission Absorbtion -4 -2 0 2 4 hk Könnte man die Photonen zählen? Zerstört die Streuung die Kohärenz? Photonenzahl keine gute Quantenzahl Das Teilchenbild hinkt: Beschreibt nicht die Einhüllende (Bessel statt Gauss)

  9. Gaussverteilung

  10. Kapitza Dirac Effekt für Elektronen • Freimund DL, Aflatooni K, Batelaan H.Nature 2001 Sep 13;413(6852):142-3 Elektronenwelle: örtliche Beschleunigung/Abbremsung durch E_Feld aus Laserlicht

  11. Laser Source Lens Lens Mirror Mirror Mirror Splitter Mirror Experimental Setup

  12. The Kapitza-Dirac Effect Dx= L Dq = = L ldB/d = = 55 mm Dx Laser on Laser off

  13. Dipolkraft: Fallen

  14. Einfachster Fall einer Dipolfalle: Sammellinse

  15. Quasistatische Dipolfalle (sehr langsame Frequenz)

  16. Bragg Reflektion von Atomen und Elektronen an Lichtgitter Wiederholung: Bragg Reflektion von Photonen an Kristallgittern

  17. Spiegel Ar* Bragg*3 Bragg mm Bragg Reflektion Dickes Gitter 17.7 mrad Bragg Winkel Bragg Streuung von Materiewellen in „Lichtkristallen“ Rolle von Licht und Materie invertiert Bernett et al PRL 77, 5160 (1996)

  18. Lithographie mit • Atomstrahlen • atomoptische Manipulation • (Fokussierung oder • Deaktivierung) • Direktes Abscheiden oder • Aktivierung & Ätzen • kurze Wellenlänge (Å) • gegenüber Licht http://quantum-optics.physik.uni-konstanz.de

  19. Abscheidung von Chrom FWHM 64 nm LASER Fokussierend (rotverstimmt) Defokussierend (blauverstimmt) Haubrich et al. Phys. Bl. 53, 523 (1997)

  20. Evaneszentes Licht

  21. Magnetische Spiegel Wdh. Stern Gerlach

  22. Otto Stern Walther Gerlach 1920-1925 Frankfurt 1914-1922 Privatdozent bei Max Born in Frankfurt Danach – Rostock - Hamburg

  23. Spalte, definieren einen dünnen Strahl Ofen erzeugt Strahl von Silberatomen Magnetpolschuh Photoplatte zum Nachweis inhomogenes Magnetfeld

  24. Prinzip des Stern-Gerlach Experimentes: Energie eines magnetischen Dipols im magnetischen Feld: In einem inhomogenen Magnetfeld wirkt:

  25. Stern&Gerlach schlossen: Drehimpuls der Bohrschen Bahnen ist Richtungsquantisiert. ABER: Glück des Tüchtigen: Ag ist l=0 aber s mit l=1 hätten sie nichts gesehen!

  26. Surface With Sinusoidal Magnetisation Constant |B| Contours B Field Lines z x A flat, short-range mirror for weak-field seeking states

  27. Dropping Atoms Onto A Curved Mirror 17mm t = 0 t = 15ms t = 30ms Flat mirrors are unstable Curved mirrors are stable

  28. Atoms bouncing after being dropped from R/4

  29. 2p8 1s5 Grund zustand Ar* Spiegel Spiegel Ar* Bragg Reflektion Dickes Gitter 17.7 mrad Bragg Winkel Kräfte: Dipolkraft: Licht „off- Resonanz“ Magnetisch: Stern-Gerlach

  30. Magneto Optical Trap • Laserkühlung • Zeemaneffekt

  31. Laserkühlung: Emission Absorbtion Energie h Impulsübertrag Impulsübertrag p=h/c p=h/c Absorbtion und Emission beschleunigt oder bremst Atome

  32. Na Dampflampe 1/3 Photon pro Atom

  33. Isotope Separation by Beam Deflection Pique J.L. and Vaille, J.L, Opt. Comm 5, 402 (1972). • For typical laser beam size and atomic beam velocity ~ 6 cycles per atom • Deflection angle small ~ 10-5 Rad • Isotope shift ~ 1 part in 105 . Enough to ensure laser resonates with (and thus pushes) only one isotope. Movable Detector Cs Atomic beam oven Laser beam

  34. Beispiel: • Na Atome (m=23) 3,8 10-26kg • = 589 nm E= 2eV v =  p/m = ~/ mc = 3cm/s (Pro Photon!) V= 1000m/sec auf v=0 3 104 Photonen 2 =32nsec (10-9sec) !1msec a= 106m/sec2 (105 g!!!)

  35. Dopplerverbreiterung: Linie Atom in Ruhe E  t > ~ Frequenz Beispiel: Na D Linie 500K Dopplerbreite 100mal natürliche Linienbreite Thermische Bewegung

  36. Dopplerverbreiterung: Absorbtion: gerichteter Impulsübertrag Emission: ungerichtet Linie Atom in Ruhe Impulsübertrag p=h/c Laserfrequenz Frequenz

  37. Dopplerverbreiterung: Linie Atom in Ruhe Laserfrequenz Frequenz Verschiebe Laser oder Linie (magnetische Felder) z.B. Ionen im Speicherring Ionen in Falle (Kristallisation) Atome

  38. Laserfrequenz Frequenz

  39. Abgebremste Atome Thermische Atome aus Ofen Geschwindigkeit (m/sec) W.D. Phillips, Rev. Mod. Phys. 70, 721

  40. Optische Molasse: Atome werden nicht gefangen (keine Ortsabhängige Kraft) Atome mit v=0 keine Wechselwirkung v -> Gegenkraft Reibung (Sirup) + Ortsabhängiges B-Feld + Zeemaneffekt ----------------------------- MOT FALLE

  41. Wiederholung: Zeemaneffekt

  42. Drehimpuls l r Warum 3 nicht 5 Linien????

  43. 1) Äquidistant D ml=-2 Verboten (Drehimpulserhaltung) 2) nur D ml=0,§ 1 Warum 3 nicht 5 Linien????

  44. Drehimpuls wird vom Photon • aufgenommen: • Dl=1 (im Bild immer erfüllt) • Dml =Richtung desPhotonendrehimpulseszum Magnetfeld

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