Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 1/31

Wie man durch konsequentes Wie man durch konsequentes Abkühlen von “heißer Luft” Abkühlen von “heißer Luft”

den Nobelpreis erhältden Nobelpreis erhältDie phaszinierende Physik Die phaszinierende Physik ultra kalter Quantengaseultra kalter Quantengase

R. Walser

Abteilung QuantenphysikUniversität Ulm

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ÜberblickÜberblick

AufwärmrundeAufwärmrunde Frühgeschichtliches Fangen, Kühlen, Kondensieren und wohin das alles führt: BEC 1995

Schlüsselexperimente seit 1995 mit Bosonen und Schlüsselexperimente seit 1995 mit Bosonen und FermionenFermionen

Interferenzen, Superfludität Quantisierte Wirbel, Wirbelgitter, Atomlaser Solitonen, Mottphasenübergang, Fermionische Superfluidität

Zusammenfassung und AussichtenZusammenfassung und Aussichten web linksweb links

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Die DreiDie Drei

...sind nun eigentlich 4 oder 5

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Prä-1995-Historisches der Prä-1995-Historisches der SuperphänomeneSuperphänomene

'11 Kammerlingh-Onnes Supraleitung (F)'24-5 Bose, Einstein Photon Gas, Statistik'35 F. & H. London, Tisza Supraltg, Phi, 2 fluids'38 Kapitza, Allen, Misener Exp. Suprafld. He'38 London, Tisza BEC of He4'41-7 Landau, Khalatnikov q-Hydrodyn., Q. Tlchngas'47 Bogoliubov ww. B. Gas, Phonospkt., 2

Quant'56 Penrose, Onsager Off Diag. Long Rg. Order'53 Feynman rotons, vortices57-65 Lee, Huang, Beliaev Gross, Pitaevskii60iger Bloembergen, Schalow,

TownsLaser

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Was ist Bose-Einstein Was ist Bose-Einstein Kondesation?Kondesation?

Hohe Temperatur

therm. Geschwindigkeit

Dichte

„Billiard Kugeln“

Tv

3d

Niedrige Temperatur

de-Broglie Wellenlänge

„Wellenpaket“

TmvdB /1/

T

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Kritische TemperaturBose-Einstein Kondensation

„Materiewellen überlappen“

critTT

dBd

Temperatur

Reines Bose Kondesat

„Riesige kohärente Materiewelle“

KT 0

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-

Wie fängt man Atome? Magnetische FallenWie fängt man Atome? Magnetische Fallen

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Wie bremst man Atome ab? Laserkühlen IWie bremst man Atome ab? Laserkühlen I

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+

Wie bremst man Atome ab? Wie bremst man Atome ab? Verdampfungskühlen IIVerdampfungskühlen II

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Bose-Einstein Kondensation: harmonischen Bose-Einstein Kondensation: harmonischen FallenFallen

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BEC von Rb87 am JILABEC von Rb87 am JILA

C. Wieman and E.Cornell et at., Science, 269, 198 (1995)

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Interferenz zweier Na BEC‘s: W. Interferenz zweier Na BEC‘s: W. KetterleKetterle

Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 13/31

Makroskopische Materiewellen Makroskopische Materiewellen interferieren!interferieren!

W. Ketterle et al., Science, 275, 637 (1997)

Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 14/31

Topologische Zustände : Topologische Zustände : QuantenwirbelQuantenwirbel

M. Holland and J. Williams, Nature, 401, 568 (1999)

Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 15/31

3-d Wirbelkristal am MIT3-d Wirbelkristal am MIT

Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 16/31

Erste Atom Laser im BetriebErste Atom Laser im Betrieb

Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 17/31

Nicht dispersive helle Solitonen: Li7Nicht dispersive helle Solitonen: Li7

K. Strecker et al., Nature, 417, 150 (2002)

Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 18/31

Der Nobelpreis 2001 geht an: Der Nobelpreis 2001 geht an: C. Wieman, W. Ketterle und ... C. Wieman, W. Ketterle und ...

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Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 20/31

Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 21/31

... ... seit dem gab es 31 neue BECsseit dem gab es 31 neue BECs

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Die Energie zweier Atome im Kasten

Die Energieverschiebung zweier Die Energieverschiebung zweier Teichen im Kasten (L) mit Teichen im Kasten (L) mit hardcore Potential (A)hardcore Potential (A)reduzierte Masse reduzierte Masse 2/m

nUnm

A

NAL

NEE

0

2

3

22

4

2

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Gut T=0: Dichte,Interferenz, Wirbel,kollektive Anregungsmoden

Dynamik des ErwartungswertesDynamik des Erwartungswertes

2

02

2

)(2

),( UxVm

txt

i

Die nichtlineare Gross-Pitaevskii Gleichung

nA

8

1

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FermionsBosons

Bose-Einstein Kondestation

Quantenentartetes Fermi Gas

Hule

t et a

l . (2003)

Doch was ist mit Doch was ist mit Fermionen?Fermionen?

Pauli PrinzipPauli Prinzip

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“BCS-Superfluid”Overlapping Pairs

Edge of Fermi Surface

Spatial

k+q

-k+q

-k’+q’

k’+q’

k

-k-k

k

q q’

q’’

Momentum

“Crossover Regime”Clusters

Smeared Fermi Surface

“Crossover Regime”Clusters

Smeared Fermi Surface

“BEC-Superfluid”Distinct Pairs

No Fermi Surface

Fermionische Fermionische Superfluidität: 2004Superfluidität: 2004

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Jin e

t al. (2

00

4)

Jin e

t al. (2

00

4)

Repulsive Interactions Molecular

bound states

Attractive InteractionsMany-body

paired states

Molekül Kondensation &Molekül Kondensation &Fermionische Superfluidität:Fermionische Superfluidität:

D. Jin, W. Ketterle, R. Grimm, R. Hulet, C. SalomonD. Jin, W. Ketterle, R. Grimm, R. Hulet, C. Salomon

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Aktivitäten in UlmAktivitäten in Ulm

1.7. 2005 Einrichtung eines neue Sonderforschungsbereiches: Quantenkontrolle maßgeschneiderter Materie

1.3. 2004 BEC im micro-Gravitation

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Non-equilibrium dynamics of Non-equilibrium dynamics of trapped trapped gases in controlled geometriesgases in controlled geometries

– Dynamic control of external confinement– Study non-equilibrium transition of a trapped gas

through the dimensional crossover

3D 2D 1D

Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 29/31

•Gruppen: E.M. Rasel, W. Ertmer, Universität Hannover K. Bongs, K. Sengstock, Universität HamburgC. Lämmerzahl, Hj. Dittus, ZARM/Universität BremenA. Peters, Humboldt-Universität BerlinT. Hänsch, J. Reichel, Max-Planck Institut, MünchenR. Walser, W. P. Schleich, Universität Ulm

•Unterstützung: DLR 50 WM 0346

Ultrakalte Quantengase Ultrakalte Quantengase

in in -Gravitation-Gravitation

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Kolloquium für Physiklehrende 17.1.06 31/31

Zusammenfassung und Zusammenfassung und AussichtenAussichten

ZusammenfassungZusammenfassung Frühgeschichtliches Fangen, Kühlen, Kondensieren und wohin das alles führt: BEC 1995 Schlüsselexperimente:

jilawww.colorado.edu/jilawww.colorado.edu/bec/CornellGroup

jilawww.colorado.edu/~jin/cua.mit.edu/ketterle_groupwww.physik.uni-stuttgart.de/TR21/ www.zarm.uni-bremen.de/www.physik.uni-ulm.de/quan/users/wal/

AussichtenAussichten Hoch aktives Forschungsgebiet: SFB, DLR, ESA

Projekte ERGO: Wir brauchen kluge Köpfe!!!