Bose-Einstein-Kondensation

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Bose-Einstein-Kondensation
Seminarvortrag, 29.4.02

• Theorie und Experimente

Stefan Gerlach
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• Theorie
• Quantenstatistik
• Experimentelle Methoden
• Kühlungsmethoden
• Evaporatives Kühlen in Magnetfallen
• Beobachtung
• Wichtige Experimente
• Interferenz, Atomlaser
• BEC on chip
• Ausblick

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• 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

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• makroskopische Besetzung des Grundzustandes
  unterhalb einer kritischen Temperatur

Phasenübergang
z.B. 23Na mit n1014cm-3 Tc1,5 µK
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Der Weg zum Kondensat

• T groß Teilchen

T klein Wellenpakete
TC Phasenübergang
BEC
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Wechselwirkungsfreie Atome
d.h. Reichweite a der Wechselwirkung deutlich
kleiner als Abstand dn-1/3 der Atome
z.B.

• Suprafluidität bei 4He (n10²²cm-3,a2,7Å) 0,2
• BEC 10-5-10-11

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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

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Erzeugung eines BEC

• Laserkühlung - MOT - magnetische Falle

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Magnetische Fallen
Reale Magnetfalle(Ioffe-Pritchard)
Quadrupolfalle
mF-1
typisch 200 G/cm
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Evaporatives Kühlen
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JILA 1995, BEC aus 2000 87Rb-Atomen
T ? Tc
T lt Tc
T ltlt Tc
lt
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• 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.)

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Nachweis von BEC

• Expansion der Wolke

Absorptionsmessung 87Rb, 106 Atome

• 2-Komponenten Atomwolke

TOF Spektren Helium,5103 Atome
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Kohärenz von BEC
Ketterle (MIT), 1996
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Atomlaser - Theorie

• T lt 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

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Atomlaser
Übergang zum Kondensat
Gallerie
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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 Quantenkommunikatio
  ns- und Verschlüsselungssystemen

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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