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Kalte AtomeDie kälteste Materie im Universum

Saturday Morning Physics – 21. 11. 2015

Gerhard BirklInstitut für Angewandte PhysikTechnische Universität Darmstadt

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Was ist kalt?

Aktuell in Darmstadt21. 11. 2015 um 9:00:

Temperatur: ca 5 °C

Wettervorhersage nach wetter.de

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Niedrigste jemals auf der Erdein natürlicher Umgebung gemessene Temperatur:

- 89 °C (21. Juli 1983)

Vostok, Antarktis

Quelle: www.antarcticconnection.com

Was ist kalt?

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Was ist Temperatur?

Ein Maß für den Energieinhalteines Körpers

Gibt es eine bevorzugte Temperaturskala?

Alle Skalen in gleichberechtigt,aber abhängig von der Anwendungsind manche geeigneter als andere.

Was passiert am absoluten Nullpunkt?

Extrem spannende Physik !!

Quelle: physik05.hs-niederrhein.de

Was ist Temperatur? - Temperaturskalen

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Auf der Erde: 184 K = - 89 °C

Vostok, Antarktis

Im Sonnensystem: 38 K

Triton (größter Mond des Neptun)

Im Universum: 2,73 K

Hintergrundstrahlung desinterstellaren Raumes

Die niedrigsten natürlich vorkommenden Temperaturen

Quelle: ESA and thePlanck Collaboration

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… wird es in einemPhysik-Labor!

Kälter als in der freien Natur …

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Sonnenoberfläche

gefrierendes Wasser

flüssiges Helium

‘Bose-Einstein Kondensation’

Temperatur

100 °C = 373,15 K0 °C = 273,15 K

1 mK

100 milliardstel Kelvin = 100 nK

Entmagnetisierung10 millionstel Kelvin = 10 μK

kochendes Wasser

5800 K

Laserkühlung1 millionstel Kelvin = 1 μK

Flüssiger StickstoffSupraleitung

77 K10 K

Temperatur

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Sonnenoberfläche

gefrierendes Wasser

flüssiges Helium

‘Bose-Einstein Kondensation’

Geschwindigkeit

2000 m/s

0 °C = 273,15 K

1 mK

100 milliardstel Kelvin = 100 nK

Entmagnetisierung10 millionstel Kelvin = 10 μK

kochendes Wasser

5800 K

Laserkühlung1 millionstel Kelvin = 1 μK

Temperatur

100 °C = 373,15 K500 m/s

1 m/s

3 cm/s

700 m/s

1 cm/s

10 cm/s

HTML - Animationen: www.colorado.edu/physics/2000/index.pl

250 m/s100 m/s

Flüssiger StickstoffSupraleitung

77 K10 K

Temperatur von Gasen und Teilchenbewegung

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Laser - Materialbearbeitung

Laserpointer

Lasershow

Anwendung von Laserlicht

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Laser - Materialbearbeitung

Lasershow

Aber wie kannman mit Laser-licht kühlen?

Kühlen mit Laserlicht?

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Ein Lichtstrahl überträgt bei Streuung einen Impulsauf Atome und Festkörper: z.B. Kometenschweif

Impulsübertrag durch Licht

Quelle: www.nasa.gov

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Mit einem Lichtstrahl kann bei Absorption gezielt ein Impulsauf Atome übertragen werden, um sie abzubremsen:

Impuls: pLicht = h/λ pAtom = mv

Lichtstrahl Atom

Abbremsen von Atomen mit Laserlicht

Quelle: www.colorado.edu/physics/2000

Impuls des Lichtteilchens (Photon) ist viel kleiner als der Impuls des Atoms !

Ist dieser Prozess effizient ?

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Jedes chemische Element besitzt spezifische diskrete Absorptions- und Emissionswellenlängen:

Natrium

Helium

Quecksilber

Wasserstoff

Neon

Linienspektrum von chemischen Elementen

Quelle: www.chemistry.tutorvista.com

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Lichtstrahl Atom

Impuls: pLicht = h/λ pAtom = mv

Abbremsen von Atomen mit Laserlicht

Quelle: www.colorado.edu/physics/2000

Mit resonantem Laserlicht kann das Abbremsen der Atomesehr effizient erfolgen (10 000 x Erdbeschleunigung und mehr) !

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Absorption und Emission Magneto-optische Falle (MOT)

Einsatz von 3 Laserstrahlpaarenerlaubt Kühlung und Einfang von Atomen in allen drei räumlichen Dimensionen:

Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht

Quelle: www.brynmawr.edu

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Simulation der Laserkühlung Magneto-optische Falle (MOT)

Einsatz von 3 Laserstrahlpaarenerlaubt Kühlung und Einfang von Atomen in allen drei räumlichen Dimensionen:

Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht

Quelle: www.brynmawr.edu

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Niedrigste Temperaturdurch Laserkühlung

T = 1 μK

Kris HelmersonT > 300 K

Natrium-AtomeT = 200 μK

NIST

Kühlen und Fangen von Atomen mit Laserlicht

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Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl

TemperaturmessungExpansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur.

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Nobelpreis für das Kühlen und Fangen mit Laserlicht

Quelle: www.nobelprize.org

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Räumlicher Verlauf derMagnetfeldstärke in einerMagnetfalle

Kalte Atome werden im Minimum des Magnetfeldes gespeichert.

Noch kälter als mit Licht: Kühlen in Magnetfallen

Quelle: www.colorado.edu/physics/2000

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Noch kälter als mit Licht: Verdampfungskühlung

Verdampfung führt zu einer weiteren Kühlung der Atome.

Quelle: www.colorado.edu/physics/2000

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Absenken der Fallentiefeführt zu Entfernen der energiereichsten Atome

Verdampfung führt zu einer weiteren Kühlung der Atome.

Noch kälter als mit Licht: Verdampfungskühlung

Quelle: www.colorado.edu/physics/2000

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Expansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur.

TT≤≤(100(100±±30)nK30)nK

TT≤≤(260(260±±3030)nK)nKTT≤≤(240(240±±30)nK30)nK

TT≤≤(160(160±±30)nK30)nKTT≤≤(140(140±±30)30) nKnK

TT<(400<(400±±30)30)nKnK

100 µm

Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl

Temperatur nach der Verdampfungskühlung

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TT≤≤(100(100±±30)nK30)nK

TT≤≤(260(260±±3030)nK)nKTT≤≤(240(240±±30)nK30)nK

TT≤≤(160(160±±30)nK30)nKTT≤≤(140(140±±30)30) nKnK

TT<(400<(400±±30)30)nKnK

100 µm

Verhalten sich diese Atomenoch wie einnormales Gas?

Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl

Temperatur nach der VerdampfungskühlungExpansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur.

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TT≤≤(100(100±±30)nK30)nK

TT≤≤(260(260±±3030)nK)nKTT≤≤(240(240±±30)nK30)nK

TT≤≤(160(160±±30)nK30)nKTT≤≤(140(140±±30)30) nKnK

TT<(400<(400±±30)30)nKnK

100 µm

Nein !!Diese Atome bilden ein Bose-Einstein-Kondensat !

Nachweis der Atome: Schatten der Atomverteilung in Laserstrahl

Temperatur nach der VerdampfungskühlungExpansion der Atomwolke nach Abschalten der Falle liefert Geschwindigkeit und Temperatur.

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Quelle: W. Ketterle (MIT)

Was ist Bose-Einstein-Kondensation (BEC)?

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Bose-Einstein-Kondensation - Theorie: 1925

Bose-Einstein-Kondensation

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Nobelpreis für die Bose-Einstein-Kondensation

Quelle: www.nobelprize.org

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T ≈ TC

T < TC

T < TC

Nachweis der Bose-Einstein-Kondensation

Bose-Einstein-Kondensat an der TU Darmstadt (www.iap.tu-darmstadt.de/apq)

<

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Normales Licht Laserlicht

beugungsbegrenzt (gerichtet)kohärenteine große Welleeine Mode (monochromatisch)

divergentinkohärentviele einzelne Wellenviele Moden Q

uelle: W. Ketterle (MIT)

Vergleich: Normales Licht - Laserlicht

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Normales Gas Bose-Einstein-Kondensat

beugungsbegrenzt (gerichtet)kohärenteine große Welleeine Mode (monochromatisch)

divergentinkohärentviele einzelne Atomeviele Moden

Atome sind unabhängig Atome bewegen sichgleichförmig

Quelle: W. Ketterle (MIT)

Vergleich: Normales Gas – Bose-Einstein-Kondensat

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K. Bongs, S. Burger, G. Birkl, K. Sengstock, W. Ertmer, K. Rzazewski, A. Sanpera und M. Lewenstein, Phys. Rev. Lett. 83, 3577 (1999).

Eigenschaften: Kondensate verhalten sich wie Wellen

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Interferenz von zwei optischen Wellen

Young’scher Doppelspaltversuch

Quelle: www.pysics.sunybs.edu

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Zwei überlagerte Laserstrahlen zeigen InterferenzInterferenzstreifen

Lichtstrahlen verhalten sich wie Wellen

Interferenz von zwei optischen Wellen

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Zwei Bose-Einstein-Kondensate zeigen InterferenzEigenschaften: Interferenz von BECs

Interferenz von Bose-Einstein-Kondensaten an der TUD

Bose-Einstein-Kondensate verhalten sich wie Wellen

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Wirbelsturm

Wasserstrudelin einem Glas

Rotation von Medien: Strudel und Vortices

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Bose-Einstein-Kondensate zeigenquantisierte Rotation.

- 2D Vortexlinienmuster- Rotation wird nichtgedämpft!

Eigenschaften (BEC): Vortices und Superfluidität

Quelle: W. Ketterle (MIT)

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Anwendungen: Atomlaser

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Kalte Atome ermög-lichen genauereUhren. Denn: langsame Atomekönnen längergemessen werden.

Cäsium-AtomuhrPTB Braunschweig

Anwendungen: Zeitmessung und Atomuhren

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GPS / GALILEO beruhen auf genauen Uhren auf Satelliten und in Bodenstationen.

Kalte Atome ermög-lichen genauereUhren.Genauere Uhrenverbessern die Navigation.

Anwendungen: Positionsbestimmung – GPS/GALILEO

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Vielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren Quantensystemen als Speichermedium für Quantenbits

Quantencomputer

Beispiel: Quantenspeicher

Speicher besteht aus zwei-dimensionaler Anordnung von fokussierten Laserstrahlen.

Jeder Speicherplatz enthält ein einzelnes lasergekühlten Atom, das die Information trägt – und zwar mehr Information als nur 0 oder 1.

Anwendungen: Quantencomputer

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Vielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren klassischen Systemen als Speichermedium für Bits

Klassischer Computer

Beispiel: Speicherchip

Jeder Speicherplatz trägt die Information 0 oder 1.

Vergleich mit Klassischem Computer

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|0 |1|0 +|1 |0 +|1

Quantencomputer

Beispiel: Quantenspeicher

Adressierung jedesSpeicherplatzes ist möglich.

Anwendungen: QuantencomputerVielfachrealisierung von individuell kontrollierbaren Quantensystemen als Speichermedium für Quantenbits

www.iap.tu-darmstadt.de/apq

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Antwort:

Guinness-Buch der Rekorde

Frage:

Ist ein Bose-Einstein-Kondensat wirklichdie kälteste Materie im Universum?

Die kälteste Materie im Universum?

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T = 450 pKT = 450 billionstel KelvinT = 0,000 000 000 450 K

Die kälteste Materie im Universum!

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• Die kälteste Materie im Universumexistiert in Physik-Laboren.

• Bose-Einstein-Kondensate sind Quantenobjekte mit Temperaturenbis hinunter zu weniger als 1 milliardstel Kelvin (1 nK) über demabsoluten Nullpunkt (derzeit!).

• Bose-Einstein-Kondensate sind wichtige Objekte für Grundlagen-forschung in der Quantenphysik und deren Anwendung.

Zusammensfassung