Ultrakalte Quantengase
Werbung
Ultrakalte Quantengase Prof. T. W. Hänsch Dr. Th. Becker, Dr. K. Dieckmann Vorlesung, 17. 10. 2006 Zeit, Ort Zeit: Dienstag, Freitag 915 Uhr bis 1023 Uhr Ort: Schellingstrasse 4, Seminarraum 4/16 Vorlesung, 17. 10. 2006 Persönliche Koordinaten Dr. Thomas Becker Max Planck Institut für Quantenoptik Hans Kopfermann Str. 1 85748 Garching tel: 089-32905-283 email: [email protected] Vorlesung, 17. 10. 2006 Inhalt Die Vorlesung gibt einene Einführung in das Gebiet der ultrakalten Quantenmaterie. Dabei werden die Methoden zur Herstellung wie Laserkühlung und Verdampfungskühlen erklärt. Die dadurch erlangte Kontrolle über den quantenmechanischen Vielteilchenzustand führt zur Realisierung neuer Quantenphänomene, wie die BoseEinstein-Kondensation und die kürzlich erziehlte Superfluidität in fermionischen Quantengasen. Anhand ausgewählter experimenteller Beispiele wird das Verständnis der Quantenmechanik vertieft und werden Bezüge zu Phänomenen der Festkörperphysik und Anwendungen im Bereich Atominterferometrie hergestellt. Vorlesung, 17. 10. 2006 Inhalt http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/index.html Vorlesung, 17. 10. 2006 Inhalt http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/index.html Vorlesung, 17. 10. 2006 Inhalt http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/index.html Vorlesung, 17. 10. 2006 I Grundlagen 1. Wiederholung elementarer Quantenmechanik 1.1 Zeitabhängige Störungstheorie 1.2 Zwei-Niveau Systeme 1.2.1 Lichtverschiebung (light shift) 1.2.2 Eigenzustände des gekoppelten Systems Atom – Lichtfeld (”dressed states”) 1.2.3 Konzept des Bloch-Vektors 1.2.4 Adiabatische Passage 1.3 Spontaner Zerfall des angeregten Zustandes (Wigner-Weisskopf Theorie) 1.4 Dichtematrix 1.5 Optische Bloch-Gleichungen 1.5.1 Stationäre Lösungen der optischen Bloch-Gleichungen 1.6 Leistungsverbreiterung und Sättigung Vorlesung, 17. 10. 2006 I Grundlagen 2. Kraft auf Zwei Niveau Atome 2.1 Strahlungsdruck 2.2 Zwei-Niveau Atom in Ruhe 2.3 Atome in Bewegung 2.3.1 Atome in einer Wanderwelle 2.3.2 Atome in einer Stehwelle 3. Mehrniveau Atome 3.1 Beispiel Alkali-Atome 3.1.1 Feinstruktur 3.1.2 Hyperfeinstruktur 3.1.3 Beispiel: Rubidium Atom 3.2 Polarisation und Interferenzen des Lichtfeldes 3.3 Drehimpuls und Auswahlregeln 3.4 Optische Übergänge in Mehrniveau Atomen Vorlesung, 17. 10. 2006 I Grundlagen 4. Allgemeine Eigenschaften der Laserkühlung 4.1 Temperaturbegriff und Thermodynamik der Laserkühlung 4.2 Kinetische Gastheorie und Maxwell-Boltzmann Verteilung 4.3 Phasen und Phasenraumdichte Vorlesung, 17. 10. 2006 II Methoden der Laserkühlung 1. Abbremsen eines Atomstrahles (Zeeman Slower) 2. Magnetooptische Falle und spontane Lichtkraft 3. Sub-Doppler Kühlung 3.1 Lin ⊥ Lin Polarisationsgradientenkühlung 3.1.1 Lichtverschiebung (light shift) 3.1.2 Ursache der Dämpfungskraft 3.2 Sub-Doppler Kühlung (Sisyphuskühlung) 4. Rückstoßgrenze 4.1 Kühlen unter die Rückstoßgrenze 4.2 Raman Kühlung 5. Magnetooptische Falle 5.1 Bestimmung der Atomzahl einer MOT durch Fluoreszenzmessung 5.2 Bestimmung der Temperatur durch Flugzeitmessungen Vorlesung, 17. 10. 2006 III Anwendungen der Laserkühlung 1. Atomarer Springbrunnen 2. Moderne Atomuhren 3. Atominterferometer 3.1 3.2 3.3 3.4 Grundkonzept Strahlteiler Messung des Rückstosses Gravitationsmessung Vorlesung, 17. 10. 2006 IV Auf dem Weg zur Bose-Einstein-Kondensation 1. Magnetische Fallen für Neutralatome 1.1 1.2 1.3 1.4 Quadrupolfalle Majorana Verluste Ioffe Fallen Magnetische Mikrofallen 2. Optische Fallen für Neutralatome 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Einfaches Lorentz-Modell der Dipolkraft Erweitertes QM Modell des Dipolpotentials Rotverstimmte Fallen Blauverstimmte Fallen Spontane Emission 3. Verdampfungskühlung 3.1 Radiofrequenzkühlung 3.2 Runaway Kühlungsbeschleunigung Vorlesung, 17. 10. 2006 V Bose-Einstein Kondensation in atomaren Gasen 1. Grundlegende Theorie der Bose-Einstein-Kondensation eines wechselwirkungsfreien Gases 1.1 BEC im freien Raum 1.2 BEC im harmonischen Fallenpotential 2. Elementare Theorie der Wechselwirkung ultrakalter Atome 2.1 Streulänge, Streuquerschnitt 3. Gross-Pitaevskii Gleichung 3.1 Spontane Symmetriebrechung 3.2 Thomas-Fermi Lösung 3.3 Kondensate mit negativer Streulänge 4. Verlustprozesse 4.1 Dipolare Verluste 4.2 Drei-Körper Verluste Vorlesung, 17. 10. 2006 VI Ausgewählte Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten 1. Interferenz zweier Bose-Einstein-Kondensate 1.1 Im Bild der spontanen Symmetriebrechung 1.2 Im Bild des Meßprozesses 2. Atomlaser 3. Superfluidität in Bose-Einstein-Kondensaten 4. Bose-Einstein Kondensate in periodischen Potentialen 4.1 Bandstruktur und Bloch-Oszillationen 4.2 Quantenphasenübergang zum Mott-Isolator Vorlesung, 17. 10. 2006 VII Ultrakalte Fermionen 1. Fermionen im harmonischen Fallenpotential 2. Sympathetisches Kühlen 3. BCS und Suprafluidität bei starker Wechselwirkung 4. Kontrolle über elastische und inelastische Wechselwirkungen 5. letzte Neuigkeiten Vorlesung, 17. 10. 2006 Literatur 1. P. Meystre, M. Sargent III: Elements of Quantum Optics, Springer Verlag Berlin, Heidelberg (1999) 2. H. J. Metcalf, P. van der Straten: Laser Cooling and Trapping Springer Verlag, New York (2002) 3. E. Arimondo, W. D. Phillips, F. Strumia Proceedings of the International School of Physics Enrico Fermi, Course CXVIII, Laser Manipulation of Atoms and Ions Societa Italiana di Physica Bologna, North Holland (1992) 4. M. Inguscio, S. Stringari, C. E. Wieman Proceedings of the International School of Physics Enrico Fermi, Course CXL, Bose-Einstein Condensation in Atomic Gases Societa Italiana di Physica Bologna, North Holland (1999) Vorlesung, 17. 10. 2006 Literatur 5. C. J. Pethick, H. Smith Bose-Einstein Condensation in Dilute Atomic Gases Cambridge University Press (2002) 6. P. Meystre, Atom Optics, Springer Series on Atomic, Optical and Plasma Physics, Springer AIP Press (2001) Vorlesung, 17. 10. 2006
