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Inhalt 1.Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice 2.Doppelspaltversuche mit Teilchen:

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1 Inhalt 1.Atome als Quantenmechnische Teilchen 1.Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice 2.Doppelspaltversuche mit Teilchen: 1.Elektronen 2.Atome, Moleküle 3.Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission 4.Beispiel H 2 5.Quantenkryptographie 6.Lichtgitter Markieren statt ausblenden Dipolkraft Kapitza Dirac Effekt Braggstreuung an Lichtgittern 7.Atomspiegel 2.Wechselwirkung mit Atomen 1.Photon-Atom Wechselwirkung 1.Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, 2.Winkel- und Energieverteilungen 3.Doppelanregung, Interferenzeffekte 4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen 5.Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse 2.Atome in starken Laserfeldern 1.Multiphotonenionisation 2.Tunnelionisation 3.Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation 4.Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien 3.Ion-Atom Stöße 1.Elektronentransfer 2.Ionisation

2 Ar * stehende Lichtwelle Spiegel sieht nur Ar * blind für Ar Abfalterer et al PRA 56 R4365 (1997) Grund zustand 1s 5 2p 8 Laser 801 nm Abfalterer et al PRA 56 R4365 (1997) Beugung an einem resonanten Lichtgitter Markieren statt Ausblenden Rolle von Materie und Licht vertauscht Markieren statt ausblenden

3 Ar * Spiegel Rasel et al PRL (1995), erstmals: Gould et al PRL (1986) Kapitza Dirac Effekt (1933) (vorhergesagt für Elektronen in Lichtfeldern) Laser um 60 natürliche Linienbreiten verstimmt kein Pumpen stimulierte Emission Atome bleiben Ar * 2p 8 Grund zustand 1s 5

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 Rasel et al PRL (1995) Wellenbild: reelles optische Potential bewirkt ortsabhängige Phasenverschiebung Lichtoptisches Analogon: Phasengitter Anwendung: Ultraschallwelle in Flüssigkeiten Ar * Spiegel 2p 8 Grund zustand 1s 5

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8 Teilchenbild: Breite Aufstreuung! QM: Ortsabhängige Phasenmodulation

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10 Ar * Spiegel 2p 8 Grund zustand 1s 5 Absorbtion Teilchenbild: im inhomogenen Feld stimulierte Emission + netto: 2 n hk 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)

11 Gaussverteilung

12 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

13 Experimental Setup Mirror Laser Source Mirror Splitter Mirror Lens

14 The Kapitza-Dirac Effect Laser on Laser off x x = L L dB /d = = 55 m

15 Dipolkraft: Fallen

16 Sammellinse Einfachster Fall einer Dipolfalle:

17 Quasistatische Dipolfalle (sehr langsame Frequenz)

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

20 Spiegel Dickes Gitter Bernett et al PRL 77, 5160 (1996) Ar * Bragg Streuung von Materiewellen in Lichtkristallen 17.7 rad Bragg Winkel m Bragg Bragg*3 Bragg Reflektion Rolle von Licht und Materie invertiert

21 Lithographie mit Atomstrahlen atomoptische Manipulation (Fokussierung oder Deaktivierung) Direktes Abscheiden oder Aktivierung & Ätzen kurze Wellenlänge (Å) gegenüber Licht

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

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24 Evaneszentes Licht

25 Magnetische Spiegel Wdh. Stern Gerlach

26 Otto Stern Privatdozent bei Max Born in Frankfurt Danach – Rostock - Hamburg Walther Gerlach Frankfurt

27 Ofen erzeugt Strahl von Silberatomen Spalte, definieren einen dünnen Strahl MagnetpolschuhPhotoplatte zum Nachweis inhomogenes Magnetfeld

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

29 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!

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

31 Dropping Atoms Onto A Curved Mirror 17mm t = 0 t = 30mst = 15ms Flat mirrors are unstableCurved mirrors are stable

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33 Atoms bouncing after being dropped from R/4

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35 Kräfte: Dipolkraft: Licht off- Resonanz Magnetisch: Stern-Gerlach Ar * Spiegel 2p 8 Grund zustand 1s 5 Spiegel Dickes Gitter Ar * 17.7 rad Bragg Winkel Bragg Reflektion

36 Magneto Optical Trap Laserkühlung Zeemaneffekt

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

38 Na Dampflampe 1/3 Photon pro Atom

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

40 Beispiel: Na Atome (m=23) 3, kg = 589 nm E= 2eV v = p/m = ~ / mc = 3cm/s (Pro Photon!) V= 1000m/sec auf v= Photonen 2 =32nsec (10 -9 sec) ! 1msec a= 10 6 m/sec 2 (10 5 g!!!)

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

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

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

44 Frequenz Laserfrequenz

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

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

47 Wiederholung: Zeemaneffekt

48 Drehimpuls l r Warum 3 nicht 5 Linien????

49 1) Äquidistant 2) nur m l =0,§ 1 m l =-2 Verboten (Drehimpulserhaltung)

50 Drehimpuls wird vom Photon aufgenommen: l=1 (im Bild immer erfüllt) 2) m l = Richtung des Photonendrehimpulses zum Magnetfeld

51 zirkularpolarisiertes Licht Photonendrehimpuls +- h linear polarisiertes Licht Drehimpuls gleichwahrscheinlich in oder gegen Ausbreitungsrichtung Ausbreitungs- richtung m l =1 m l =-1 Ausbreitungs- richtung m l =0

52 m=-1m=0m=+1 Fazit: Nicht nur Energie auch Polarisation muss stimmen je na Richtung des B Feldes nur rechts zirkular!


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