Helle atomare Solitonen - KOPS - Universität Konstanz

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Kurzer historischer Überblick
Auf der Suche nach Möglichkeiten entartete Bose-Gase herzustellen dachte man zunächst
an die Kühlung von spinpolarisiertem atomarem Wasserstoff in Kryostaten. Zum einen
führt die geringe Masse des Wasserstoffs zu einer vergleichsweisen ”
hohen“ Übergangstemperatur
und zum anderen war es das einzige System, das Berechnungen zufolge im
thermodynamischen Gleichgewicht bis zum absoluten Nullpunkt gasförmig bleiben sollte
[25]. Mit der erfolgreichen Demonstration der Laserkühlung [26, 27], welche für Wasserstoff
nicht möglich ist, und des erstmaligen Fangens neutraler Atome in einer magnetooptischen
Falle [28] rückten dann aber zunehmend die Alkaliatome in den Mittelpunkt
des Interesses. Es wurde mit vergleichsweise wenig Aufwand möglich, Atome in den Bereich
von einigen Millionsteln Kelvin abzukühlen. Die Dichten und Temperaturen, die mit
lasergekühlten Atomen erreicht werden können, reichen jedoch noch nicht aus, um den
Phasenübergang zur Bose-Einstein Kondensation zu erreichen. Eine zweite Technik zur
weiteren Kühlung der Atome ist dazu notwendig. Es war dies die Methode der Verdampfungskühlung
in rein magnetischen Fallen [29], die zunächst an kryogen vorgekühltem
Wasserstoff demonstriert wurde [30]. Die Verdampfungskühlung beruht auf der selektiven
Entfernung hochenergetischer Teilchen aus dem atomaren Ensemble. Die restlichen
Atome thermalisieren daraufhin durch elastische Stöße bei einer tieferen Temperatur. Es
werden dabei neue energiereiche Teilchen erzeugt, die wiederum entfernt werden können.
Dadurch kann dem Ensemble genügend Energie bei akzeptablem Teilchenzahlverlust entzogen
werden. Diese Kombination aus Laserkühlung und Verdampfungskühlung führte
1995 zur erfolgreichen Kondensation der Alkalimetalle Rubidium, Natrium und Lithium.
Die Elemente der Alkalireihe wurden zu den ”
Arbeitspferden“ der Physik ultrakalter
Atome, da sie neben ihrer Eignung zur Laserkühlung weitere Eigenschaften besitzen,
die vorteilhaft gegenüber spinpolarisiertem Wasserstoff sind. Es stellte sich heraus, dass
weder die Übergangstemperatur noch die Frage nach der thermodynamischen Stabilität
des kondensierten Zustands des betreffenden Elements eine entscheidende Rolle spielen.
Zum einen kann die Verdampfungskühlung so gezielt eingesetzt werden, dass Temperaturen
weit unterhalb des kritischen Werts erreicht werden können 3 und zum anderen
ist neben den Alkalimetallen auch Wasserstoff auf Grund von dipolarer Relaxation bei
T = 0 ”
nur“ metastabil. Ein verdünntes kondensiertes Gas kann deshalb nie thermodynamisch
stabil sein, der Grundzustand ist mit Ausnahme von flüssigem Helium immer
ein kristalliner Festkörper. Allerdings ist die Zeitskala, auf der das System in den Gleichgewichtszustand
übergeht i.A. sehr lang im Vergleich zur Dauer typischer Experimente.
Entscheidend für die Beobachtung des BEC-Phasenübergangs waren zwei andere Parameter.
Die Wechselwirkung zwischen den Atomen sollte abstoßend sein, nur dann kann
eine größere Anzahl von Atomen in einem Kondensat metastabil sein. Für eine effektive
Verdampfungskühlung war es zudem wichtig, dass das Verhältnis zwischen ”
guten“
(thermalisierenden) und ”
schlechten“ 4 Stößen möglichst groß ist.
Zu Beginn der Arbeiten waren diese Parameter unbekannt, wodurch die Wahl des
richtigen Elements auch ein bisschen zur Glückssache wurde. Das richtige ”
Gespür“ hatten
die Gruppe um Eric Cornell und Carl Wieman am NIST in Boulder/Colorado [6],
sie wählten Rubidium, und diejenige um Wolfgang Ketterle am MIT in Boston/Massa-
3 Die Schwierigkeit liegt eher in der zuverlässigen Messung dieser tiefen Temperaturen.
4 Darunter fasst man alle Mechanismen zusammen, die zu einer ungewollten Entfernung von Teilchen
aus der Falle oder zum Aufheizen des Ensembles führen.