Kalte Atome durch Laser Thomas Gantner Laserkühlung.

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  • Kalte Atome durch Laser Thomas Gantner Laserkhlung
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  • Gliederung 1. Erste Ideen & Prinzip 2. Dopplerkhlen 3. Polarisationsgradientenkhlen 4. Anwendungen
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  • Anfnge Vorhersage aus den Maxwellschen Gleichungen 1873: elektromagnetische Wellen knnen Druck auf einen Krper auswirken 1) Erste experimentelle Beobachtung 1901 von Peter Lebedew 2) Sichtbare Folge: Von der Sonne weggekrmmter Kometenschweif http://www.dlr.de/schoollab/en/Portaldata/24/Resources /images/kp/experimente/komet_high_res.jpg 1)A treatise on electricity and magnetism. Vol. 2 / by James Clerk Maxwell, Clarendon press (Oxford) 1873 2)Peter Lebedew, Untersuchungen ber die Druckkrfte des Lichtes Ann. d. Phys 6. p. 433. 1901
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  • Anfnge Zur starken Beeinflussung von Atomen sind intensivere, monochromatische Lichtquellen ntig => Laser Erste Vorschlge zur Laserkhlung: Fr neutrale Atome: Hnsch und Schawlow 1975 1) Fr Ionen: Wineland und Dehmelt 1975 2) 70er und 80er Jahre experimentelle Umsetzung und Erklrung der Subdopplerkhlung (Nobelpreis 1997 fr Chu, Phillips und Cohen- Tannoudji nobelprize.org 1)Hnsch, T., and A. Schawlow, 1975, Cooling of gases by laser radiation, Opt. Commun. 13, 68. 2)D. Wineland, H. Dehmelt, Bull. Am. Soc. 20, 637 (1975)
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  • Idee Rcksto durch Absorption Keine Nettokraft durch Emission Geschwindigkeitsnderung pro gestreutem Photon (Rubidium) v rec = k/m Atom =6 mm/s ca. 50000 Absorptionen In 1D zwei Laser aus beiden Richtungen Phillips nobel lecture
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  • Dopplerverschiebung Geschwindigkeitsabhngige Absorption Absorption nur bei Resonanzfrequenz A Dopplerverschiebung, bei RT Laser rotverstimmt L < A Detuning Resonanzfrequen z Geschwindigkeit in Laserrichtung
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  • Dopplerkhlung quantitativ Zwei-Niveau-Atom Resonanzfrequenz A Atomgeschwindigkeit v => Nettokraft F=- v Tannoudji/Phillips
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  • Probleme beim Dopplerkhlen Abkhlen in kleinem Geschwindigkeitsintervall Lsungen: 1. Chirping: Verstimmen der Laserfrequenz 2. Zeeman-cooling: Verstimmen der Atomresonanz Hufigkeit
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  • Zeeman-cooling Groes B => groes ZM entgegen D Verndertes B => fr andere Atomgeschwindigkeit in Resonanz Phillips nobel lecture v z z
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  • Probleme beim Dopplerkhlen Reale Atome sind keine Zwei- Niveau-Systeme! Zerfall in andere, nicht gekoppelte Zustnde Repumping in das 2-Niveau System
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  • Problem des Zeeman-cooling Zeeman-splitting Nur ein Zeeman-Niveau passend verschoben Khlen mit + -polarisiertem Licht m= -2 -1 0 1 2 m= -1 0 1 ++ |e> |g> m=-1 m=0 m=1 LL |e> |g> m=-1 m=0 m=1 LL
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  • Khlen in 3D, optische Melasse 3D-Khlen mit 6 Laserstrahlen Gedmpfte Bewegung durch geschwindigkeitsabhngige Kraft Melasse: zhe Flssigkeit Kurze freie Weglngen random walk
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  • Dopplertemperatur Limit:Dopplertemperatur T D. Unteres Limit aufgrund der Linienbreite Heizprozess whrende des random walk Typische Werte: Dopplertemperatur fr Rubidium 140 K Dopplergeschwindigkeit 0,2m/s (zum Vergleich: Geschwindigkeit bei RT300m/s) notwendige Photonenste zum Erreichen der Dopplergeschwindigkeit 50000 Resonanzfrequenz Geschwindigkeit in Laserrichtung
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  • Subdopplerkhlen 1987 bemerkten Phillips et. al dass sie deutlich unter die Dopplertemperatur khlen konnten Greres Detuning -> kleinere Temperatur Lsung: kein 2-Level-Atom! Phillips nobel lecture Fig. 16
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  • Polarisationsgradientenkhlen 1989, Dalibard und Cohen-Tannoudji: Laserkhlen in einem Lichtfeld mit Polarisationsgradienten Ein Beispiel: lin perp. lin: Auch + - - -Konfiguration mglich
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  • Polarisationsgradientenkhlen Lichtverschiebung Verschiebung:mit der Rabifrequenz Clebsch-Gordon-Koeffizienten beim J=1/2 J=3/2 bergang: Unterschiedliche Verschiebung der Zustnde Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989 g -1/2 g +1/2 g -1/2 g +1/2
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  • Polarisationsgradientenkhlen Die Grundzustnde g -1/2 und g +1/2 werden je nach Polarisation unterschiedlich stark besetzt Im stationren Fall: Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989
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  • Polarisationsgradientenkhlen Mittlere Zeit p bis Photon- Absorption Funktioniert nur, solange die Atome noch genug Energie haben Name nach der griechischen Mythologie: Sisyphus-Khlen Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989 http://www.mythweb.com/ency c/gallery/sisyphus_c.html
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  • Recoil-limit Potentialabstand zwischen den Niveaus verkleinern recoil-limit: Rckstoimpuls vom Phton Rubidium: Dalibard & Cohen-Tannoudji 1989
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  • Anwendungen Grundlage fr viele weiterfhrende Experimente: Atomfallen Hochauflsende Spektroskopie (Wegfall der Dopplerbreite) Atomuhren Atome in optischen Gittern Herstellung eines BEC
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  • Zusammenfassung Bremskraft durch Impulsbertrag bei Absorption Dopplerlimit Polarisationsgradientenkhlen, Verschieben der Resonanz durch den light shift und rumlich variierende Besetzungswahrscheinlichkeit Recoil-limit: Subrecoil-khlen Kalte Atome als Grundlage fr weitere Experimente
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  • Quellen 1) A treatise on electricity and magnetism. Vol. 2 / by James Clerk Maxwell, Clarendon press (Oxford) 1873 2) Peter Lebedew, Untersuchungen ber die Druckkrfte des Lichtes Ann. d. Phys 6. p. 433. 1901 3) Hnsch, T., and A. Schawlow, Cooling of gases by laser radiation, Opt. Commun. 13, 68 (1975) 4) D. Wineland, H. Dehmelt, Bull. Am. Soc. 20, 637 (1975) 5) J.Dalibard and C. Cohen-Tannoudji, Laser cooling below the Doppler limt by polarization gradients: simple theoretical models, J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 6, No. 11, p.2023(1989) 6) William D. Phillips, Laser cooling and trapping of neutral atoms, Reviews of Modern Physics, Vol. 70, No. 3, p.721 (1998) 7) Tannoudji and Phillips, New mechanisms for laser cooling, Physics Today, p.33 (October 1990)