Atomfallen Sebastian Ehn 18.05.2011

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

0. Motivation Die herkömmlichen Methoden haben erhebliche Nachteile: Atomfallen 18.05.2011 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

Die Lösung: Atomfallen 18.05.2011 0. Motivation Die Lösung: Atomfallen

Inhalt: 1. Grundlagen jedes Fallentyps 2. Fallen für neutrale Atome Atomfallen 18.05.2011 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

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

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

1.2 Verschiedene Fallentypen Atomfallen 18.05.2011 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

1.2 Verschiedene Fallentypen Atomfallen 18.05.2011 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

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

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

2. Fallen für Neutrale Atome Atomfallen 18.05.2011 2. Fallen für Neutrale Atome

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

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

2.1 Magneto-optische Falle (MOT) Atomfallen 18.05.2011 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) Kraft auf ein Atom in der MOT (rotating wave app.): hier: Γ: Streurate S0: Sättigungsparameter Δω: Detuning des Lasers, ergänzt um Dopplereffekt und Strahlungsdruck Nachteile: Starke Lichtstreuung durch Verwendung von nah resonantem Licht (hohe Heizraten) Zustandsabhängigkeit der rücktreibenden Kraft

2.1 Magneto-optische Falle (MOT) Atomfallen 18.05.2011 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) 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

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

2.1 Magneto-optische Falle (MOT) Atomfallen 18.05.2011 2.1 Magneto-optische Falle (MOT) Experimentelle Realisierung: z.B. E.L. Raab, S. Chu et al. 1987 Benutzter Übergang: 3S1/2 – 3P3/2 in Na Atomen Magnetfeldanordnung: sphärischer Quadrupol Steven Chu

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

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

2.2 Dipolfalle Funktionsweise: Atomfallen 18.05.2011 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

2.2 Dipolfalle Funktionsweise: Atomfallen 18.05.2011 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! R. Grimm et al.: Optical dipole traps for neutral atoms. arXiv:physics/9902072v1

2.2 Dipolfalle Funktionsweise: Atomfallen 18.05.2011 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

2.2 Dipolfalle Rotverstimmte Fallen: Atomfallen 18.05.2011 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

2.2 Dipolfalle Rotverstimmte Fallen: Erweiterung : Crossed-beam trap: Atomfallen 18.05.2011 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

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

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

2.3 Magnetische Falle Funktionsweise: Atomfallen 18.05.2011 2.3 Magnetische Falle Funktionsweise: Wechselwirkung des atomaren magnetischem Moments mit äußerem statischen Magnetfeld: gF: Landé-Faktor μB: Bohrsches Magneton mF: Quantenzahlen des Gesamtdrehimpuls (Spin + Bahndrehimpuls + Kernspin)

2.3 Magnetische Falle Funktionsweise: Atomfallen 18.05.2011 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

2.3 Magnetische Falle Experimentelle Realisierungen: Atomfallen 18.05.2011 2.3 Magnetische Falle Experimentelle Realisierungen: Quadrupolfalle: Bmin = 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 T. Bergeman et al.: Magnetostatic trapping fields for neutral atoms. Phys. Rev. A 35, 1535–1546 (1987)

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

2.4 Elektrische Fallen Funktionsprinzip: Atomfallen 18.05.2011 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

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

2.4 Elektrische Fallen Experimentelle Realisierung: Atomfallen 18.05.2011 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

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

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

4. Abschließender Vergleich der Fallentypen und ihrer Parameter Atomfallen 18.05.2011 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 Atome können für mehrere Minuten eingefangen und auf T ≤ 1 µK gekühlt werden Lebensdauer der Falle ist wg. Heizprozessen limitiert

Atomfallen 18.05.2011 Fragen…

Dipolfallen Blauverstimmte Fallen: Evanescent-wave trap: Atomfallen 18.05.2011 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, …)

Dipolfallen Blauverstimmte Fallen: Evanescent-wave trap: Atomfallen 18.05.2011 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

Dipolfallen Blauverstimmte Fallen: Atomfallen 18.05.2011 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

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

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

2.3 Magnetische Falle Anwendungsbeispiele: Magnetischer Transport: Atomfallen 18.05.2011 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)