Powerpoint-Folien zur Vorlesung

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 H2
5. Quantenkryptographie
2.
6. 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
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
Spiegel
1.6.1. Markieren statt ausblenden
Ar*
2p8
stehende
Lichtwelle
Laser
801 nm
Grund
zustand
sieht nur Ar*
blind für Ar
1s5
1000
Beugung an einem resonanten
Lichtgitter
•Markieren statt Ausblenden
•Rolle von Materie und Licht
vertauscht
800
co
unt
s
600
400
200
0
Abfalterer et al PRA 56 R4365 (1997)
-100
0
position [m]
100
Spiegel
Ar*
2p8
Grund1s5
zustand
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
Spiegel
Ar*
2p8
Grund1s5
zustand
Wellenbild:
reelles optische Potential bewirkt
ortsabhängige Phasenverschiebung
Lichtoptisches Analogon:
Phasengitter
Anwendung:
Ultraschallwelle
in Flüssigkeiten
Rasel et al PRL 75 2633 (1995)
Teilchenbild:
Breite Aufstreuung!
QM: Ortsabhängige Phasenmodulation
Spiegel
Teilchenbild:
im inhomogenen Feld
Ar*
2p8
+
Grund1s5
zustand
-4 -2 0 2 4 hk
Absorbtion stimulierte
Emission
Könnte man die Photonen zählen?
Zerstört die Streuung die Kohärenz?
Photonenzahl keine gute Quantenzahl
Das Teilchenbild hinkt:
Beschreibt nicht die Einhüllende
(Bessel statt Gauss)
netto:
2 n hk
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
Laser Source
Lens
Lens
Mirror
Mirror
Splitter
Mirror
Mirror
0.05
Dx
Laser on
0.00
-110
-55
0
55
110
Position (m)
Count rate (/s/channel)
Dx = L Dq =
= L ldB/d =
= 55 m
Count rate (/s/channel)
The Kapitza-Dirac Effect
0.10
Laser off
0.05
0.00
-110
-55
0
Position (m)
55
110
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
Spiegel
Bragg
Reflektion
17.7 rad
Bragg Winkel
Dickes Gitter
Bragg*3
Bragg Streuung von
Materiewellen in
„Lichtkristallen“
Bragg
Rolle von Licht und Materie invertiert
m
Bernett et al PRL 77, 5160 (1996)
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
Haubrich et al. Phys. Bl. 53, 523 (1997)
Fokussierend (rotverstimmt)
Defokussierend
(blauverstimmt)
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice
1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen:
1.2.1.
Elektronen
1.2.2.
Atome, Moleküle
1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission
1.4. Beispiel H2
1.5. Lichtgitter
1.6. Atomspiegel
1.6.1. Evaneszentes Licht
1.6.2. Magnetische Spiegel
2. Wechselwirkung mit Atomen
2.1. Photon-Atom Wechselwirkung
2.1.1.
Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt,
2.1.2.
Winkel- und Energieverteilungen
2.1.3.
Doppelanregung, Interferenzeffekte
2.1.4.
Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und
Winkelverteilungen
2.1.5.
Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse
2.2. Atome in starken Laserfeldern
2.2.1.
Multiphotonenionisation
2.2.2.
Tunnelionisation
2.2.3.
Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische,
hochenergetische Elektronen, Doppelionisation
2.2.4.
Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien
2.3. Ion-Atom Stöße
2.3.1.
Elektronentransfer
2.3.2.
Ionisation
Evaneszentes Licht
Magnetische Spiegel
Wdh. Stern Gerlach
Otto Stern
1914-1922 Privatdozent
bei Max Born in Frankfurt
Danach – Rostock - Hamburg
Walther Gerlach
1920-1925
Frankfurt
Ofen
erzeugt Strahl von
Silberatomen
Spalte, definieren einen
dünnen Strahl
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
z
•
B Field Lines
2 x I
F
x
G
J
Hl K
M = M 0 cos
•
N
S
N
S
N
S
N
S
N
x
Constant |B| Contours
B = B0e2 z / l
N
A flat, short-range mirror for weak-field seeking states
Dropping Atoms Onto A Curved Mirror
17mm
t=0
t = 15ms
Flat mirrors are unstable
t = 30ms
Curved mirrors are stable
Trapping Beams
F
4
5P3
2
1
Optical Pumping Beams
Trap
Light
Repump
Light
3
Curved
Magnetic
Mirror
5S1
2
2
85 Rb
Levels
Atoms bouncing after being dropped from R/4
5
50
60
105
105
150
165
210
1. Atome als Quantenmechnische Teilchen
1.1. Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed
Choice
1.2. Doppelspaltversuche mit Teilchen:
1.2.1.
Elektronen
1.2.2.
Atome, Moleküle
1.3. Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission
1.4. Beispiel H2
1.5.
1.6.
Lichtgitter
Atomspiegel
Kräfte: Dipolkraft: Licht „off- Resonanz“
Magnetisch: Stern-Gerlach
Spiegel
Spiegel
Ar*
2p8
Grund1s5
zustand 17.7 rad
Bragg Winkel
Bragg
Reflektion
Dickes Gitter
Magneto Optical Trap
•Laserkühlung
•Zeemaneffekt
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).
Movable
Detector
Cs Atomic
beam oven
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
l= 589 nm
D E= 2eV
D v = D 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
DEDt>~
Linie
Atom in
Ruhe
Thermische
Bewegung
Frequenz
Dopplerverbreiterung:
Absorbtion:
gerichteter
Impulsübertrag
Emission:
ungerichtet
Impulsübertrag
p=h/c
Linie
Atom in
Ruhe
Laserfrequenz
Frequenz
Dopplerverbreiterung:
Verschiebe Laser
oder Linie (magnetische Felder)
z.B. Ionen im Speicherring
Ionen in Falle (Kristallisation)
Atome
Linie
Atom in
Ruhe
Laserfrequenz
Frequenz
Laserfrequenz
Frequenz
Abgebremste Atome
Thermische Atome
aus Ofen
Geschwindigkeit (m/sec)
W.D. Phillips, Rev. Mod. Phys. 70, 721
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:
1) Dl=1 (im Bild immer erfüllt)
2) D ml =
Richtung des
Photonendrehimpulses
zum Magnetfeld
zirkularpolarisiertes Licht
ml=-1
ml=1
Ausbreitungsrichtung
Photonendrehimpuls +- h
linear polarisiertes Licht
ml=0
Ausbreitungsrichtung
Drehimpuls gleichwahrscheinlich
in oder gegen Ausbreitungsrichtung
Fazit:
Nicht nur Energie
auch Polarisation
muss stimmen
je na Richtung
des B Feldes
nur rechts zirkular!
m=-1 m=0 m=+1