Atomphysik Heute
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Atomphysik 2003/2004 Johannes-Gutenberg-Universität, Institut für Physik Ihr Vorlesungs- und Übungsteam: Immanuel Bloch Annette Schmitt, Jochen Maul Björn Flatt, Stefan Hiebel, Michael Wolf Programm für Heute • • • • • • • • • Begrüßung Formales (Scheinkriterien etc.) Übungszettel und Übungsgruppeneinteilung Webseiten zur Vorlesung Inhalte der Vorlesung Literatur Wichtige Online Zeitschriften im Internet Fragen Atomphysik heute Programm für Heute • • • • • • • • • Begrüßung Formales (Scheinkriterien etc.) Übungsgruppeneinteilung Webseiten zur Vorlesung Inhalte der Vorlesung Literatur Wichtige Online Zeitschriften im Internet Fragen Atomphysik heute Formales • Scheinkriterium – – – – aktive Teilnahme an Übungen maximal Abwesenheit an zwei Übungen mindestens 50% der Punkte in Übungsaufgaben erfolgreiche Teilnahme an Klausur • Schein ist nicht benotet – kann aber benotet werden, falls für Stipendien erwünscht. Bitte nachfragen. • Aktive Teilnahme an Vorlesung und Übungen Programm für Heute • • • • • • • • • Begrüßung Formales (Scheinkriterien etc.) Übungszettel und Übungsgruppeneinteilung Webseiten zur Vorlesung Inhalte der Vorlesung Literatur Wichtige Online Zeitschriften im Internet Fragen Atomphysik heute Übungszettel • Übungszettel werden jeweils Montags in der Vorlesung verteilt • Diese sollen von Ihnen bis zum nächsten Montag bearbeitet werden und in der Vorlesung oder im EXAKT Sekretariat abgegeben werden. • Aufgaben können in zweier Teams bearbeitet werden. Dabei müssen beide Teilnehmer(innen) erkennbar Aufgaben bearbeitet haben und sich aktiv an den Übungen beteiligen. Übungsgruppen Übungen werden Mittwochs, Donnerstags und Freitags abgehalten. • • • • Gruppe 1 (B. Flatt) Mi 16:00-18:00 c.t. Gruppe 2 (A. Schmitt/J. Maul) Do 13:00-15:00 c.t. Gruppe 3 (S. Hiebel) Do 15:00-17:00 c.t. Gruppe 4 (M. Wolf) Mi 13:00-15:00 c.t. Übungsräume werden noch heute festgelegt. Bitte auf Ankündigung am Mittwoch oder auf Webseite achten. Programm für Heute • • • • • • • • • Begrüßung Formales (Scheinkriterien etc.) Übungsgruppeneinteilung Webseiten zur Vorlesung Inhalte der Vorlesung Literatur Wichtige Online Zeitschriften im Internet Fragen Atomphysik heute Webseiten zur Vorlesung Begleitend zur Vorlesung wird eine Webseite angeboten. Dort finden Sie • • • • • Aktuelle Informationen zur Vorlesung und Übungen Aktuelle und ältere Übungszettel Links zu Atomphysik Gruppen weltweit Links zu Online Zeitschriften und Publikationen Galerie mit Bildmaterial und Videos Adresse: http://www.uni-mainz.de/FB/Physik/IPH/Atomphysik03/ Programm für Heute • • • • • • • • • Begrüßung Formales (Scheinkriterien etc.) Übungsgruppeneinteilung Webseiten zur Vorlesung Inhalte der Vorlesung Literatur Wichtige Online Zeitschriften im Internet Fragen Atomphysik heute Programm für Heute • • • • • • • • • Begrüßung Formales (Scheinkriterien etc.) Übungsgruppeneinteilung Webseiten zur Vorlesung Inhalte der Vorlesung Literatur Wichtige Online Zeitschriften im Internet Fragen Atomphysik heute Programm für Heute • • • • • • • • • Begrüßung Formales (Scheinkriterien etc.) Übungsgruppeneinteilung Webseiten zur Vorlesung Inhalte der Vorlesung Literatur Wichtige Online Zeitschriften im Internet Fragen Atomphysik heute Online Zeitschriften • • • • • • Nature Nature Physics Portal Science Physical Review Letters Physical Review A Physical Review Focus www.nature.com www.nature.com/physics/ www.sciencemag.org prl.aps.org pra.aps.org focus.aps.org Programm für Heute • • • • • • • • • Begrüßung Formales (Scheinkriterien etc.) Übungsgruppeneinteilung Webseiten zur Vorlesung Inhalte der Vorlesung Literatur Wichtige Online Zeitschriften im Internet Fragen Atomphysik heute Programm für Heute • • • • • • • • • Begrüßung Formales (Scheinkriterien etc.) Übungsgruppeneinteilung Webseiten zur Vorlesung Inhalte der Vorlesung Literatur Wichtige Online Zeitschriften im Internet Fragen Atomphysik heute Atomphysik Heute • Präzisionsspektroskopie • Metrologie (Zeitmessung, neue Atomuhren) • Medizinische Anwendungen • Ionenfallen • Laserkühlung • Bosonische und Fermionische Quantengase • Quantenoptik (Cavity QED) • Fundamentale Tests der Quantenmechanik • Quanteninformation Alle Fragestellungen nutzen die ausserordentlich gute Kontrollierbarkeit atomarer Systeme ! Ultrapäzise Laserspektroskopie und Fundamentale Anwendungen Folien von Theodor W. Hänsch Balmer Spektrum 1S-2S transition Wasserstoff Spektrum count rate [s-1] Hydrogen 1S-2S spectrum Laser detuning [kHz @ 243 nm] 1s-2S frequency H Results Experimente mit Ultrakalten Quantengasen Materiewellen deBroglie Wellenlängen verschiedener Objekte Temperaturen T 10 4 103 10 2 10 1 Sonnenoberfläche Kochendes Wasser Flüssiger Stickstoff Eis flüssiges 4He, Supraflüssigkeit, Supraleitung 10 −1 10 −2 10 −3 10 −4 Doppler Kühlen 10 −5 10 −6 Sisyphus Kühlen 10 −7 10 −8 10 −9 Bose-Einstein condensation de Broglie Wellenlänge Thermische deBroglie Wellenlänge λ= T (K) h 2 π m k BT deBroglie Wellenlänge eines typischen Atoms Komet Hale-Bopp Strahlungsdruck Laserkühlen Physik Nobelpreis 1997 Steve Chu Claude Cohen-Tannoudji Bill Phillips Laserkühlung Bei der Absorption von Photonen aus einem Laserstrahl muß sowohl der Impuls als auch die Energie erhalten bleiben Das Atom erfährt einen gerichteten Impulsübertrag bei der Absorption eines Photons Die anschließende spontane Emission ist ungerichtet und führt im Mittel über viele Absorptions-Emissionszyklen zu keinem Impulsübertrag. Laserkühlung – einige Daten Maximale Beschleunigung amax =k Γ = ⋅ m 2 z.B.für87Rb amax = 100000 m s 2 Minimale Temperatur Tmin ≈ 10µK Laserkühlung (4) – Magnetooptische Falle (MOT) Sechs entgegenlaufende Laserstrahlen, deren Frequenz kleiner als die atomare Resonanzfrequenz ist, kühlen Atome ab. Eine zusätzliche Ortsabhängigkeit der Kraft kann erreicht werden, wenn ein QuadrupolMagnetfeld im Kreuzungspunkt der Laserstrahlen erzeugt wird. So können Atome im Fallenzentrum angesammelt und gleichzeitig gekühlt werden. Eine kurze Geschichte der Bose-Einstein-Kondensation •1924 Bose schickt Einstein seine Arbeit über die Statistik von Photonen. Einstein übersetzt diese Arbeit. •1924 Nur acht Tage später hat Einstein seine „Qunatentheorie der einatomigen idealen Gase“ fertiggestellt. •1925 Einstein setzt seine Arbeit über das ideale Gas mit Bose-Statistik fort und entdeckt zum ersten Mal das Phänomen der „Bose-Einstein-Kondensation“ •1995 Bose-Einstein-Kondensation in einem verdünnten Gas von 87Rb Atomen wird zum ersten Mal von Eric Cornell und Carl Wieman (JILA) erzielt und wenige Monate später in 23Na von Wolfgang Ketterle (MIT) Nobelpreis 2001 ! Bosonische Liebe – Fermionisches Einzelleben Je mehr Bosonen zusammen sind, desto mehr Bosonen möchten dazukommen ! Fermionen sind dagegen Einzelgänger ! Vom klassischen Gas zum Bose-Einstein-Kondensat T Tc Klassisches Gas T > Tc λ dB = h mv ∝ T −1 2 T < Tc λ dB ≈ d T =0 Kohärente Materiewelle Molekül des Jahres ! Gewöhnliches Licht divergent inkohärent viele kurze Wellenzüge viele Moden Laser Licht beugungsbegrenzt (gerichtet) kohärent eine einzige Welle eine mode (monochromatic) Der Weg zur Bose-Einstein-Kondensation n⋅λ ≈1 3 Plus eine Menge Optik und Elektronik (Tisch 1) !! Tisch 2 BEC am MIT (Boston) erste NachfolgeExperimente BEC Apparatur am MIT Magnetische Fallen für Neutralatome Energie eines Atoms in einem externen Magnetfeld G G E = −µ ⋅ B Kraft auf ein Atom in einem inhomogenen Magnetfeld G F = −µ ⋅ ∇B Verschiedene Magnetfallentypen Kleeblatt Falle QUIC-Falle Magnetische Mikrofallen Verdampfungskühlen Tom Greytak Daniel Kleppner Wie können wir die Quantengase sehen ? Interferenz zweier Bose-Einstein-Kondensate Gefangene BEC‘s BEC‘s nach einer Expansionszeit t Atomlaser3D Ende für Heute ! Nächste Vorlesung: ! n e au Einführung in die Atomphysik beisch or v : en Begriffe, Zahlen, Größenordnungen... g a r ei F B Beginn Wiederholung Quantenmechanik
