Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

4.7 Magneto-optische Fallen (MOT) 51
gilt. ω 0 ist die Frequenz, die benötigt wird, um die Spins am Minimum des Potentials
umzuklappen.
Da die entfernten Atome den größten Teil der im Gas vorhandenen Energie tragen, ist
der entstehende Temperaturverlust um eine Größenordnung höher als die Zahl der entfernten
Teilchen. Weiterhin ist eine Dichteerhöhung nur durch eine um eine Größenordnung
stärkere Temperaturverringerung möglich. Eine Temperaturveränderung um zwei Größenordnungen
bedeutet also eine Änderung der Phasenraumdichte um vier Größenordnungen.
Durch Stöße werden die höherenergetischen Zustände wieder besetzt und es können weitere
Atome mit diesem Verfahren entfernt werden. Verringert man langsam die Frequenz, so
werden immer weniger Atome in der Falle gehalten und das übrige Gas kühlt ab. Auf diese
Weise lassen sich Temperaturen von einigen Nanokelvin erreichen. Mit keinem anderen
Verfahren ist es bis heute gelungen, zu noch niedrigeren Temperaturen zu gelangen.
4.7 Magneto-optische Fallen (MOT)
In den letzten Jahren wurden große Fortschritte auf dem Gebiet der Atomfallen erzielt. Zum
besseren Verständnis der Bose-Einstein-Kondensate war es nötig, immer dichtere Atomwolken
mit einer immer größeren Teilchenzahl und Lebensdauer zu erzeugen. Die Früchte
dieser Entwicklungsarbeit kommen auch anderen Gebieten, beispielsweise der hochauflösenden
Spektroskopie, zugute.
Die bekannten Experimente (siehe z.B. [4, 18, 28, 33, 78, 79, 90]) verlaufen nach ähnlichen
Schemata und verwenden nahezu gleiche Versuchsaufbauten.
Ein Atomstrahl, dessen Temperatur in der Größenordnung einiger hundert Kelvin liegt,
wird in eine magneto-optische Falle geleitet. Fallen dieses Typs wurden zum ersten Mal
1987 von Jean Dalibard vorgeschlagen und kurze Zeit später von David Pritchard unter
Mithilfe von Steven Chu am MIT realisiert. Bevor die Atome allerdings gefangen werden
können, werden sie durch den Strahlungsdruck eines entgegenlaufenden Lasers auf etwa
ein Kelvin abgekühlt (Zeeman-Slower). Dabei ist es problematisch, daß sich die Absorptionsfrequenz
mit geringer werdender Geschwindigkeit durch den Doppler-Effekt ändert.
Abhilfe liefert der Zeeman-Effekt: Ein inhomogenes Magnetfeld verschiebt die Hyperfeinniveaus
der Atome und hält sie damit in Resonanz mit dem Laserlicht.
Nun sind sie kalt genug, um in die Falle geladen zu werden, wo sie zuerst mit Laserkühlung
auf etwa ein Millikelvin abgekühlt werden. Anschließend werden die Laser abgeschaltet,
und mit Hilfe der Verdampfungskühlung wird das Gas - nur von einem Magnetfeld gehalten
- weiter abgekühlt. Am Ende kann man Atomwolken von etwa zwei Millimeter
Durchmesser erhalten, die Temperaturen von einigen Nanokelvin und Dichten von mehr
als 10 14 cm −3 erreichen.
Eine magneto-optische Falle beruht auf Strahlungsdruck und muß daher das optische
Earnshaw Theorem umgehen. Dies wird durch Nutzung eines inhomogenen Magnetfeldes
möglich, da das Theorem nur gilt, wenn die auf ein Atom wirkende Kraft proportional
zur Laserintensität ist.
Eine eindimensionale MOT besteht aus zwei zirkular polarisierten Laserstrahlen mit gleicher
Intensität, die aus entgegengesetzten Richtungen auf das Atom gerichtet sind. Der