Ringvorlesung: Kälter als der Weltraum
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Universität Hamburg • Institut für Laser-Physik Andreas Hemmerich Kälter als der Weltraum Mit Licht zum Temperaturnullpunkt • Was ist Wärme ? • Warmes und kaltes Licht • Kühlen mit Licht • Gase am absoluten Nullpunkt: Bose-Einstein Kondensation Andreas Hemmerich © 2008 kalt, kälter, am kältesten 400 1K 10 Konventionelle Supraleiter Siedepunkt H2O 300 1 mK Helium Mischkühler 1 µK Laserkühlung Schmelzpunkt H2O 200 100 Antarktis Siedepunkt CO2 Hochtemperatur Supraleiter 5 Siedepunkt Helium Weltraum 1 nK Siedepunkt O2 0 Bose-Einstein Kondensation 0 0 Andreas Hemmerich © 2008 Entdeckung der mechanischen Wirkung des Lichts Albert Einstein 1917: Atomare (Molekulare) Gase thermalisieren im thermischen Lichtfeld Arthur H. Compton 1923: Rückstoß bei Photon-Elektron-Streuung Otto R. Frisch 1933: Ablenkung eines Atomstrahls mit Licht Das Experiment fand in Hamburg im Haus Jungiusstr. 9a statt. Die Experimente wurden abgebrochen, da Frisch und Stern (aufgrund ihrer jüdischen Konfession) die Universität Hamburg verlassen mussten. Andreas Hemmerich © 2008 Laserkühlung und Bose-Einstein-Kondensation 1975 Vorschlag Laserkühlung: (T. Hänsch, A. Schalow, D. Wineland, H. Dehmelt) 1980-1990 Experimentelle Realisierung der Laserkühlung 1997 Nobelpreis für Laserkühlung (S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. Phillips) 1995 Erste Bose-Einstein Kondensate 2001 Nobelpreis für Bose-Einstein-Kondensation (E. Cornell, W. Ketterle, C. Wieman) Andreas Hemmerich © 2008 Gase: Wärme & Temperatur Wärme = Ungeordnete Bewegungsenergie Ungeordnetes Teilchenensemble Andreas Hemmerich © 2008 Teilweise geordnetes Teilchenensemble Geordnetes Teilchenensemble Gase: Wärme & Temperatur Energie Abstand Ungeordnetes Teilchenensemble Ludwig Boltzmann 1844-1906 : James Clerk Maxwell 1831-1879 : Thermalisierung durch elastische Zweikörperstöße: N2 bei Zimmertemperatur: Andreas Hemmerich © 2008 Zweikörperwechselwirkung Gase bei niedrigen Temperaturen geringe Dichte: Quantenentartung: Bose-Einstein-Kondensat Fermi-Gas Bei genügend hoher Dichte: → Dreikörperstöße Molekülbildung Verflüssigung Gefrieren Andreas Hemmerich © 2008 Licht in der klassischen Physik: Wellenlänge: λ Lichtgeschwindigkeit: C Frequenz: Wellenzahl: Andreas Hemmerich © 2008 ν = c λ 2π k = λ Anzahl der Schwingungen pro Sekunde Anzahl der Wellenzüge pro Meter Licht in der Quantenphysik: Lichtgeschwindigkeit: C Max Planck 1905: Energie pro Photon: E = hν Impuls pro Photon: P = hk Planck-Konstante: Andreas Hemmerich © 2008 h = h/2π = 10-34 Js Licht & Temperatur: Thermisches Licht hν Sonne hν hν hν hν hν hν Intensität Planck-Verteilung IR UV Maximum: 340 THz Andreas Hemmerich © 2008 Frequenz 5800 K Licht & Temperatur : Laser-Licht Theodore Maiman: Erster Laser 1960 Laser hν hν hν Intensität T= 0 Frequenz IR Andreas Hemmerich © 2008 UV Wie Licht und Materie wechselwirken E2 Resonanz–Bedingung: hν Anregungswahrscheinlichkeit E1 Lebensdauer: τ 50 % 1 2π τ Typische Linienbreite: 10 MHz Frequenz ν = (E2 – E1)/h Anregungswahrscheinlichkeit: Andreas Hemmerich © 2008 thermische Lichtquelle : < 10 -6 Laser : 0.5 Doppler-Effekt Christian Doppler 1803-1853 hν hν hν Atomare Resonanz bei 500 nm, Linienbreite 10 MHz: –> Andreas Hemmerich © 2008 Resonante Geschwindigkeitsbreite 5 m/s Strahlungsdruck hν hν hν hν hν hν hν Absorption: hν hν hν hν hν hk hν hk Emission: hν hν hν hν hν hν hν a = F = 1 hk W Γ m m Andreas Hemmerich © 2008 Γ = 1τ 5 ≈ 10 g Strahlungsdruck im Weltraum Hale -Bopp: 5. April 1997 Andreas Hemmerich © 2008 Kühlen mit Strahlungsdruck (Doppler-Kühlung) hν < E2 – E1 Laserstrahl Laserstrahl Ruhendes Atom: Strahlungsdruck kompensiert Bewegtes Atom: Kraft ~ Geschwindigkeit Die schnellen Atome werden stärker gebremst als die langsamen: schmalere Geschwindigkeitsverteilung weniger ungeordnete Bewegungsenergie Andreas Hemmerich © 2008 Temperaturgrenze der Dopplerkühlung Laserstrahl Laserstrahl Impulsübertrag bei Emission verschwindet nur im Mittel Aufheizung der atomaren Bewegung Kompensation der Kühlung durch Aufheizung: kB T ~ h Γ T ~ 0.3 mK Andreas Hemmerich © 2008 Kühlung in drei Dimensionen 1985 Optische Melasse 1987 Magneto-Optische Falle Unerwartetes Ergebnis: Beobachtete Temperaturen T = 10 µK , weit unterhalb des Dopplerlimits Andreas Hemmerich © 2008 Magneto-optische Falle im Experiment Zeeman C a 422 nm Cooler 422 nm 422 nm Andreas Hemmerich © 2008 Noch kälter durch Polarisationsgradienten (Nobelpreis 1997, C. Cohen-Tannoudji) Energie Sisyphus-Kühlung: Ort Temperaturgrenze: Zeeman-Niveaus Andreas Hemmerich © 2008 h2 k2 , T ~ 1 µK kBT = 2m Bose-Einstein-Kondensation De Broglie Wellenlänge: λ = 2πh mV Kritische Temperatur: Satyendra Nath Bose, Albert Einstein 1924 De Broglie Wellenlänge λ ≈ Mittlerer Teilchenabstand d kBT ≈ Luis Victor de Broglie 1892-1987 Andreas Hemmerich © 2008 Bose-Einstein-Kondensat d3 1 mV2 2 ≈ 1/ρ λ ≈ 2πh mV 2 2h ρ 2π T = m kB ~ 0.1 µK 2/3 Magnetische Speicherung & Verdampfungskühlung Magnetische Speicherung: N N S S S N S N N S N N S S Ort Verdampfungskühlung: Potential S Energie N N S RadiofrequenzÜbergang Häufigkeit Ort Andreas Hemmerich © 2008 Woran erkennt man ein Bose-Kondensat ? Dichte-Verteilung: Kondensat nicht kondensierte Atome Beobachtung der GeschwindigkeitsVerteilung durch ballistische Expansion: Zeit W. Ketterle et al. 1995 Andreas Hemmerich © 2008 Interferenz von zwei Bose-Kondensaten (W. Ketterle et al. 1996, Nobelpreis 2001) Andreas Hemmerich © 2008 Vortexgitter in einem Bose-Kondensat Bose-Kondensat ist superfluid: Anregung von quantisierten Wirbeln Kondensat Rotierender Laserstrahl (E. Cornell group, Nobelpreis 2001) Andreas Hemmerich © 2008 Zukünftige Anwendungen kohärenter Materie Kalte Atome: MaterieLaser Atomoptik: Bildgebende Verfahren mit hoher Auflösung bei kleinen Energien Atomlithographie: Strukturgrößen unterhalb von 100 nm Atominterferometrie: Ultra-empfindliche Sensoren für Schwerkraft und Erdbeschleunigung Kalte Moleküle: Kohärente Chemie : Andreas Hemmerich © 2008 extrem effiziente gezielte Synthesen Universität Hamburg • Institut für Laser-Physik ENDE Andreas Hemmerich © 2008
