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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