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Atomfallen Sebastian Ehn 18.05.2011. 0. Motivation oder: Warum Atome einfangen? 18.05.2011Atomfallen 2.

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1 Atomfallen Sebastian Ehn 18.05.2011

2 0. Motivation oder: Warum Atome einfangen? 18.05.2011Atomfallen 2

3 0. Motivation Die herkömmlichen Methoden haben erhebliche Nachteile: ▫Verschlechterung der Auflösung z.B. durch „harte“ Stöße mit den Gefäßwänden zu kurze WW-Zeiten in Atomstrahlen ▫Keine Beobachtung von Effekten bei extrem niedrigen Temperaturen möglich 18.05.2011 3 Atomfallen

4 0. Motivation Die Lösung: Atomfallen 18.05.2011 4 Atomfallen

5 Inhalt: 1. Grundlagen jedes Fallentyps ▫1.1 Grundlagen & Kenngrößen ▫1.2 Verschiedene Fallentypen 2. Fallen für neutrale Atome ▫2.1 Magneto-optische Falle (MOT) ▫2.2 Dipolfallen ▫2.3 Magnetische Fallen ▫2.4 Elektrische Fallen 3. Ionenfallen (separater Vortrag) 4. Abschließender Vergleich der Fallentypen und ihrer Parameter 18.05.2011 5 Atomfallen

6 1.1 Grundlagen & Kenngrößen Grundprinzip: Ortsabhängige Kräfte innerhalb der Falle wichtig für Einschluss Fallentiefe: Tiefe ΔE des Potentialtopfes, angegeben als Temperatur T d : 18.05.2011 6 Atomfallen

7 1.1 Grundlagen & Kenngrößen Grundprinzip: Ortsabhängige Kräfte innerhalb der Falle wichtig für Einschluss Fallenfrequenz: Oszillationsfrequenz des Teilchens im harmonischen Oszillatorpotential der Falle 18.05.2011 7 Atomfallen

8 1.2 Verschiedene Fallentypen Strahlungsdruck-Fallen: ▫Wichtigstes Bsp.: MOT ▫Arbeitsprinzip: Rückstoß der Atome ▫Typische Fallentiefen: wenige Kelvin ▫ + Möglichkeit, Atome aus thermischem Hintergrundgas zu fangen ▫+ Fängt und kühlt gleichzeitig 18.05.2011 8 Atomfallen

9 1.2 Verschiedene Fallentypen Optische Dipolfallen: ▫Arbeitsprinzip: elektrische Dipol-WW ▫Typische Fallentiefen: ≤ 1 mK ▫ + Fangmechanismus unabhängig von der elektronischen Struktur der Atome -> Dynamik der Zustände ist experimentell voll zugänglich 18.05.2011 9 Atomfallen

10 1.2 Verschiedene Fallentypen Magnetische Fallen: ▫Arbeitsprinzip: magnetische Dipol-WW ▫Typische Fallentiefen: ≈ O(100 mK) ▫Fangmechanismus ist zustandsabhängig ▫ + Ideale Falle zur Erzeugung von BEC 18.05.2011 10 Atomfallen

11 1.2 Verschiedene Fallentypen Elektrische Falle: ▫Arbeitsprinzip: Stark-Shift im elektrischen Feld ▫Typische Fallentiefen: ≈ O(10 μK) ▫Experimentell untergeordnete Rolle 18.05.2011 11 Atomfallen

12 2. Fallen für Neutrale Atome 18.05.2011 12 Atomfallen

13 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) Zeeman-Aufspaltung in schwachem Magnetfeld: Aufspaltung eines 2-Niveau Systems (|S=0>, |S=1>) in einem linearen Magnetfeld: 18.05.2011 13 Atomfallen E.L. Raab et al.: Trapping of neutral Atoms with Radiation Pressure. Phys. Rev. Lett. 59, 2631–2634 (1987)

14 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) 18.05.2011 14 Atomfallen Übergänge zwischen Niveaus mit Δm= ±1 werden von σ ± - polarisiertem Licht getrieben Strahlungsdruck wirkt als rückstellende Kraft

15 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) 18.05.2011 15 Atomfallen Kraft auf ein Atom in der MOT (rotating wave app.): hier: Γ: Streurate S 0 : Sättigungsparameter Δ ω: Detuning des Lasers, ergänzt um Dopplereffekt und Strahlungsdruck Nachteile: Starke Lichtstreuung durch Verwendung von nah resonantem Licht (hohe Heizraten) Zustandsabhängigkeit der rücktreibenden Kraft

16 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) 18.05.2011 16 Atomfallen Atome innerhalb einer Falle werden durch interne Prozesse geheizt Wichtigster Heizprozess bei MOT: Spontane Emission -> nettomäßiger Impulsübertrag auf das Atom Besonders wichtig bei nah-resonanter Strahlung! Zusätzlich: Stöße mit Hintergrundgas entvölkern die Falle Quelle: Wikipedia

17 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) 18.05.2011 17 Atomfallen Kühlung der Atome notwendig! Aufgrund extrem niedriger Temperaturen Anwendung der Laserkühlung ▫Dopplerkühlung ▫Optische Melasse ▫…▫… Gleichgewicht zwischen Heiz- und Kühlprozessen -> Limitierung der Lebensdauer der Fallen

18 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) 18.05.2011 18 Atomfallen Experimentelle Realisierung: ▫z.B. E.L. Raab, S. Chu et al. 1987 ▫Benutzter Übergang: 3S 1/2 – 3P 3/2 in Na Atomen ▫Magnetfeldanordnung: sphärischer Quadrupol Steven Chu

19 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) 18.05.2011 19 Atomfallen Experimentelle Realisierung: ▫Gefangene Atome in MOT:

20 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) 18.05.2011 20 Atomfallen Anwendungsbeispiele: ▫Sehr gute Vorstufe zur Produktion kalter Atome, Messung erfolgt dann nach Transfer in andere Fallen

21 2.2 Dipolfalle Funktionsweise: ▫Induziertes elektrisches Dipolmoment der Atome wechselwirkt mit dem Lichtfeld der Falle α:komplexe Polarisierbarkeit ▫In der rotating wave app. ergibt sich letztlich 18.05.2011 21 Atomfallen

22 2.2 Dipolfalle Funktionsweise: ▫Kraft in rotverstimmten (Δ ≤ 0) Fallen wirkt in Richtung hoher Intensitäten. ▫Für die Streurate der einfallenden Photonen ergibt sich Δ: Detuning Γ: spontane Emissionsrate ▫Streurate bestimmt die Heizleistung! 18.05.2011 22 Atomfallen R. Grimm et al.: Optical dipole traps for neutral atoms. arXiv:physics/9902072v1 arXiv:physics/9902072v1

23 2.2 Dipolfalle Funktionsweise: ▫Optimierung der Falle durch Wahl möglichst großer Verstimmungen bei gegebener Intensität ▫Zusätzlicher Heizeffekt: Parametrisches Heizen Modulation des Fallenpotentials mit der doppelten Fallenfrequenz führt zu Energiegewinn der gefangenen Atome 18.05.2011 23 Atomfallen

24 2.2 Dipolfalle Rotverstimmte Fallen: ▫Einfachster Fall : Focused-beam trap: ▫Durch Linsen fokussierter gaußscher Laserstrahl ▫Sehr guter radialer Einschluss, schlechter axialer Einschluss ▫Ausdehnung der Falle: ≈ 10 μm radial 18.05.2011 24 Atomfallen

25 2.2 Dipolfalle Rotverstimmte Fallen: ▫Erweiterung : Crossed-beam trap: ▫Zwei fokussierte gaußsche Laserstrahlen, senkrecht auf einender ▫Sehr guter Einschluss in alle Raumrichtungen ▫Ausdehnung der Falle: ≈ 10 μm pro Raumrichtung 18.05.2011 25 Atomfallen

26 2.2 Dipolfalle Rotverstimmte Fallen: ▫Standing-wave trap: ▫Extrem guter Einschluss in axialer Richtung (Bäuche der Stehwelle) ▫Ausdehnung der Falle: O (λ) axial 18.05.2011 26 Atomfallen

27 2.2 Dipolfalle Anwendungsbeispiele: ▫„Optische Pinzette“: Festhalten und Bewegen ganzen Moleküle oder auch Zellen in der biologischen Forschung 18.05.2011 27 Atomfallen

28 2.3 Magnetische Falle Funktionsweise: ▫Wechselwirkung des atomaren magnetischem Moments mit äußerem statischen Magnetfeld: ▫g F : Landé-Faktor μ B : Bohrsches Magneton m F : Quantenzahlen des Gesamtdrehimpuls (Spin + Bahndrehimpuls + Kernspin) 18.05.2011 28 Atomfallen

29 2.3 Magnetische Falle Funktionsweise: ▫Bedingungen an Atomzustände: „weak-field seeking“ ▫Grund: statische e.m. Felder können im Vakuum keine lokalen Maxima haben ▫Typische Fallentiefen: ≈100 mK 18.05.2011 29 Atomfallen

30 2.3 Magnetische Falle Experimentelle Realisierungen: ▫Quadrupolfalle: B min = 0 im Zentrum der Falle  Erste Realisierung: Migdall et al., 1985  Zwei Spulen in Anti-Helmholtz Anordnung  Größte Limitierung der Lebensdauer: Spin-Flips im Zentrum der Falle Schema einer Quadrupolfalle Quelle: Bergeman1987 Equipotentialflächen der Quadrupolfalle 18.05.2011 30 Atomfallen T. Bergeman et al.: Magnetostatic trapping fields for neutral atoms. Phys. Rev. A 35, 1535–1546 (1987)

31 2.3 Magnetische Falle Anwendungsbeispiele: ▫Herstellung von Bose-Einstein Kondensaten (separater Vortrag) ▫Hochauflösende Spektroskopie 18.05.2011 31 Atomfallen

32 2.4 Elektrische Fallen Funktionsprinzip: ▫Stark-Shift atomarer Niveaus in statischen elektrischen Feldern α: atomare Polarisierbarkeit ▫Atome minimieren Energie in Bereichen hoher Feldstärke ▫Nur high-field seeker können eingefangen werden 18.05.2011 32 Atomfallen

33 2.4 Elektrische Fallen Funktionsprinzip: ▫Unmöglichkeit lokaler Maxima der Feldstärke im Vakuum für statische Felder ▫Verwendung „pseudostatischer“ (langsam veränderlicher) AC-Felder 18.05.2011 33 Atomfallen

34 2.4 Elektrische Fallen Experimentelle Realisierung: ▫Three-Phase electric trap: A: Schema des Fallenaufbaus, B: Schaltsequenz der Elektroden, C-D: el. Feldstärke in der x-y-Ebene zu jeder Phase 18.05.2011 34 Atomfallen

35 3. Ionenfallen Einschluss von Ionen durch Coulombkräfte in e.m. Feldern Extrem lange Einschlusszeiten (Wochen!) -> Separater Vortrag 18.05.2011 35 Atomfallen

36 4. Abschließender Vergleich der Fallentypen und ihrer Parameter 18.05.2011 36 Atomfallen

37 4. Abschließender Vergleich der Fallentypen und ihrer Parameter MOT Magnetische Falle Dipolfalle Elektrische Falle Typ. Fallentiefe wenige Kelvin≈ 100 mK≤ 1 mK ≈ 10 μK Pro/Contra + Fängt und Kühlt - Ständige Beeinflussung der Atome durch optische Melasse + Einfache Kühlung - Teils komplizierter Versuchsaufbau + Fangmechanismus nicht zustandsabhängig Keine Rolle im Alltag 18.05.2011 37 Atomfallen Atome können für mehrere Minuten eingefangen und auf T ≤ 1 µK gekühlt werden Lebensdauer der Falle ist wg. Heizprozessen limitiert

38 Fragen… 18.05.2011Atomfallen 38

39 Dipolfallen Blauverstimmte Fallen: ▫Evanescent-wave trap: ▫Evaneszente Wellen ergeben sich bei Reflexion einer Welle an einer Grenzfläche zw. Dielektrikum und Vakuum ▫Exponentieller Abfall der (blauverstimmten) evaneszenten Welle im Vakuum -> Oberfläche wirkt wie idealer Spiegel ▫Einfang der Atome durch zusätzliche Potentiale (Van der Waals, rotvertimmter Laser, …) 18.05.2011 39 Atomfallen

40 Dipolfallen Blauverstimmte Fallen: ▫Evanescent-wave trap: Links: Potentialverlauf als Summe aus blauverstimmten Dipolfeld und Van der Waals Potential (schwarze Linie) Rechts: Fallengeometrie Oben: Schematische Darstellung einer Falle aus blauverstimmten evaneszenten und rotverstimmten Stehwellen Unten: Fallengeometrie 18.05.2011 40 Atomfallen

41 Dipolfallen Blauverstimmte Fallen: ▫Spezialfall: GOST (Gravito-optical surface trap) ▫Einschluss an der Oberfläche als Kombination aus Gravitation und evanescent-wave trap über einem Prisma ▫Einschluss in der horizontalen erflogt durch einen blauverstimmten Hohlstrahl GOST, Ladung der Falle erfolgt aus MOT Quelle: Ovchinnikov1997 18.05.2011 41 Atomfallen

42 Dipolfallen Blauverstimmte Fallen: ▫Spezialfall: GOST (Gravito-optical surface trap) oben: MOT Mitte: GOST unten: Spiegelbild der MOT Quelle: Ovchinnikov1997 18.05.2011 42 Atomfallen

43 2.3 Magnetische Falle Experimentelle Realisierungen: ▫Ioffe-trap: B min ≠ 0 im Zentrum der Falle Schema der Ioffe-Falle Quelle: Bergeman1987 Equipotentialflächen der Ioffe-Falle Quelle: Bergeman1987 18.05.2011 43 Atomfallen

44 2.3 Magnetische Falle Anwendungsbeispiele: ▫Magnetischer Transport:  mechanische Bewegung einer Quadrupolfalle  Hintereinanderschalten mehrerer Quadrupolfallen: Bewegung der Atome durch Variation der Ströme durch die Spulen (rot dargestellt) 18.05.2011 44 Atomfallen


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