Atomfallen

Sebastian Ehn18.05.2011

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0. Motivation

oder: Warum Atome einfangen?

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0. Motivation

•Die herkömmlichen Methoden haben erhebliche Nachteile:

▫Verschlechterung der Auflösung z.B. durch„harte“ Stöße mit den Gefäßwändenzu kurze WW-Zeiten in Atomstrahlen

▫Keine Beobachtung von Effekten bei extrem niedrigen Temperaturen möglich

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0. Motivation

Die Lösung:Atomfallen

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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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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:

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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)

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• 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)

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• Kraft auf ein Atom in der MOT (rotating wave app.):

• hier:Γ: StreurateS0: SättigungsparameterΔω: 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)

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• Atome innerhalb einer Falle werden durch interne Prozesse geheizt

• Wichtigster Heizprozess bei MOT: Spontane Emission-> nettomäßiger Impulsübertrag auf das Atom

Besonders wichtig bei nah-resonanter Strahlung!

• Zusätzlich: Stöße mit Hintergrundgas entvölkern die Falle

Quelle: Wikipedia

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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)

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•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)

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•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)

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•Experimentelle Realisierung:▫Gefangene Atome in MOT:

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2.1 Magneto-optische Falle (MOT)

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•Anwendungsbeispiele:

▫Sehr gute Vorstufe zur Produktion kalter Atome, Messung erfolgt dann nach Transfer in andere Fallen

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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: DetuningΓ: spontane Emissionsrate

▫Streurate bestimmt die Heizleistung!

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R. Grimm et al.: Optical dipole traps for neutral atoms. arXiv:physics/9902072v1

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2.2 Dipolfalle

•Funktionsweise:▫Optimierung der Falle durch Wahl möglichst

großer Verstimmungen bei gegebener Intensität

▫Zusätzlicher Heizeffekt: Parametrisches HeizenModulation 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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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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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-FaktorμB: Bohrsches MagnetonmF: 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 QuadrupolfalleQuelle: Bergeman1987

Equipotentialflächen der Quadrupolfalle

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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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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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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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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 - Teils komplizierter Versuchsaufbau

+ Fangmechanismus nicht 

zustandsabhängigKeine Rolle im 

Alltag

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•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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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 StehwellenUnten: Fallengeometrie

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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 MOTQuelle: Ovchinnikov1997

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Dipolfallen•Blauverstimmte Fallen:

▫Spezialfall: GOST (Gravito-optical surface trap)

oben: MOTMitte: GOSTunten: Spiegelbild der MOTQuelle: Ovchinnikov1997

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2.3 Magnetische Falle•Experimentelle Realisierungen:

▫Ioffe-trap: Bmin ≠ 0 im Zentrum der Falle

Schema der Ioffe-FalleQuelle: Bergeman1987

Equipotentialflächen der Ioffe-FalleQuelle: Bergeman1987

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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)

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