Atomfallen

Atomfallen
Sebastian Ehn
18.05.2011
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Atomfallen
18.05.2011
0. Motivation
oder: Warum Atome einfangen?
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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
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Atomfallen
0. Motivation
Die Lösung:
Atomfallen
18.05.2011
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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
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1.1 Grundlagen & Kenngrößen
• Grundprinzip: Ortsabhängige Kräfte
innerhalb der Falle wichtig für Einschluss
• Fallentiefe: Tiefe ΔE des Potentialtopfes,
angegeben als Temperatur Td:
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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
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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
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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
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1.2 Verschiedene Fallentypen
• Magnetische Fallen:
▫ Arbeitsprinzip: magnetische Dipol-WW
▫ Typische Fallentiefen: ≈ O(100 mK)
▫ Fangmechanismus ist zustandsabhängig
▫ + Ideale Falle zur Erzeugung von BEC
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1.2 Verschiedene Fallentypen
• Elektrische Falle:
▫ Arbeitsprinzip: Stark-Shift im elektrischen Feld
▫ Typische Fallentiefen: ≈ O(10 μK)
▫ Experimentell untergeordnete Rolle
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2. Fallen für Neutrale Atome
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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)
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)
• Übergänge zwischen Niveaus mit Δm= ±1 werden von σ±polarisiertem Licht getrieben
• Strahlungsdruck wirkt als rückstellende Kraft
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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
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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
Quelle: Wikipedia
Besonders wichtig bei nah-resonanter Strahlung!
• Zusätzlich: Stöße mit Hintergrundgas entvölkern die Falle
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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
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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
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)
• Experimentelle Realisierung:
▫ Gefangene Atome in MOT:
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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)
• Anwendungsbeispiele:
▫ Sehr gute Vorstufe zur Produktion kalter Atome,
Messung erfolgt dann nach Transfer in andere
Fallen
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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2.2 Dipolfalle
• Anwendungsbeispiele:
▫ „Optische Pinzette“:
Festhalten und Bewegen ganzen Moleküle oder
auch Zellen in der biologischen Forschung
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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)
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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
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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)
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2.3 Magnetische Falle
• Anwendungsbeispiele:
▫ Herstellung von Bose-Einstein Kondensaten
(separater Vortrag)
▫ Hochauflösende Spektroskopie
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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
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18.05.2011
2.4 Elektrische Fallen
• Funktionsprinzip:
▫ Unmöglichkeit lokaler Maxima der Feldstärke im
Vakuum für statische Felder
▫ Verwendung „pseudostatischer“ (langsam
veränderlicher) AC-Felder
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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
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3. Ionenfallen
• Einschluss von Ionen durch Coulombkräfte in
e.m. Feldern
• Extrem lange Einschlusszeiten (Wochen!)
• -> Separater Vortrag
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4. Abschließender Vergleich der
Fallentypen und ihrer Parameter
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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 + Fangmechanismus
Keine Rolle im
- Teils komplizierter
nicht
Alltag
Versuchsaufbau
zustandsabhängig
• Atome können für mehrere Minuten
eingefangen und auf T ≤ 1 µK gekühlt werden
• Lebensdauer der Falle ist wg. Heizprozessen
limitiert
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Fragen…
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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, …)
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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
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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
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18.05.2011
Dipolfallen
• Blauverstimmte Fallen:
▫ Spezialfall: GOST (Gravito-optical surface trap)
oben: MOT
Mitte: GOST
unten: Spiegelbild der
MOT
Quelle: Ovchinnikov1997
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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
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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)