1.6.1. Markieren statt ausblenden 1.6.2. Dipolkraft 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

1.6.1. Markieren statt ausblenden Spiegel Ar* Grund zustand 1s5 2p8 Laser 801 nm 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)

Kapitza Dirac Effekt (1933) Spiegel Ar* 2p8 Grund zustand 1s5 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)

Dipolkraft

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

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

QM: Ortsabhängige Phasenmodulation Teilchenbild: Breite Aufstreuung! QM: Ortsabhängige Phasenmodulation

Ar* + Spiegel Teilchenbild: im inhomogenen Feld 2p8 netto: 2 n hk 1s5 Grund zustand 1s5 Absorbtion Teilchenbild: im inhomogenen Feld stimulierte Emission + netto: 2 n hk -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)

Gaussverteilung

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

Experimental Setup Mirror Laser Source Splitter Lens

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

Dipolkraft: Fallen

Einfachster Fall einer Dipolfalle: Sammellinse

Quasistatische Dipolfalle (sehr langsame Frequenz)

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

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

atomoptische Manipulation (Fokussierung oder Deaktivierung) 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

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

Evaneszentes Licht

Magnetische Spiegel Wdh. Stern Gerlach

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

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

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

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!

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

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

Atoms bouncing after being dropped from R/4

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

Magneto Optical Trap Laserkühlung Zeemaneffekt

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

Na Dampflampe 1/3 Photon pro Atom

Isotope Separation by Beam Deflection Pique J.L. and Vaille, J.L, Opt. Comm 5, 402 (1972). Cs Atomic beam oven Movable Detector Laser beam 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.

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!!!)

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

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

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

Frequenz Laserfrequenz

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

+ Ortsabhängiges B-Feld + Zeemaneffekt ----------------------------- 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

Wiederholung: Zeemaneffekt

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

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

Drehimpuls wird vom Photon aufgenommen: Dl=1 (im Bild immer erfüllt) D ml = Richtung des Photonendrehimpulses zum Magnetfeld

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

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