Helle atomare Solitonen - KOPS - Universität Konstanz

2 INHALTSVERZEICHNIS
das Gas unter eine kritische Temperatur, welche in der Größenordnung von 1µK liegt,
abzukühlen. Es dauerte 70 Jahre, bis es 1995 schließlich mehreren Gruppen in den USA
gelang, die Schwierigkeiten zu überwinden, die das Abkühlen eines Gases auf solch tiefe
Temperaturen verhindert hatten [6, 7, 8].
Bose-Einstein Kondensation, na und?
Wäre es allein um die Bestätigung einer 70 Jahre alten ”
Theorie“ und die Überwindung
technischer Schwierigkeiten gegangen, so hätte die Nachricht von der ersten Erzeugung
eines Bose-Einstein Kondensats 1995 wohl nicht weltweites Aufsehen und einen ”
Boom“
in der Physik ultrakalter Atome ausgelöst. Es waren die besonderen Eigenschaften dieses
neuen Materiezustands, die die Phantasie der Forscher beflügelten:
• Da sich alle Atome im selben Zustand befinden, sind die Orts- und Impulsunschärfe
des Ensembles nur durch das Heisenberglimit begrenzt, man hat die ”
ultimative“
Kontrolle über Position und Bewegung der Atome [9].
• Bose-Einstein Kondensate sind interferenzfähig, sie sind Quellen kohärenter atomarer
Materiewellen. Oft vergleicht man den Übergang von der thermischen Wolke
zum Kondensat mit dem Unterschied zwischen thermischem Licht und Laserlicht.
• zur Faszination dieses Gebiets trägt sicherlich auch die Tatsache bei, dass die Größe
des BEC für typische experimentelle Situationen im Bereich von ∼ 1−500 µm liegt.
Die Wellenfunktion besitzt eine makroskopische Ausdehnung, sie wird damit von
einer unanschaulichen Rechengröße zu einem beobachtbaren ”
Objekt“.
• Im Gegensatz zu den Quantenflüssigkeiten 3 He und 4 He ist die Wechselwirkung
zwischen den Atomen eines verdünnten Gases so schwach, dass die Statik und
Dynamik der Kondensate durch eine ”
einfache“ Gleichung beschrieben wird, die
einen Vergleich zwischen Experiment und Theorie ermöglicht.
Den Aufschwung, den dieses Gebiet seit Anfang der 90er Jahre des letzten Jahrhunderts
genommen hat, wird eindrucksvoll durch die Anzahl der Veröffentlichungen, die zum
Thema Bose-Einstein Kondensation erschienen sind, belegt. Sie stieg von etwa 20 pro
Jahr auf einige Veröffentlichungen pro Tag! Einen umfassenden geschichtlichen Überblick
über die Entwicklung der Physik kalter Atome zwischen 1924 und 1995 gibt ein
Buch von Griffin et al. [10], während die moderne Theorie dazu von Dalfovo und Giorgini
[5], sowie Pitaevskii und Stringari [11] behandelt wird. Eine Zusammenfassung experimenteller
Techniken und Arbeiten ist in den Übersichtsartikeln von Ketterle [9] bzw.
Cornell [12], sowie einem Buch von Pethick und Smith [13] zu lesen.
Von der Vielzahl an Experimenten, die mittlerweile durchgeführt wurden, seien hier
stellvertretend nur einige wenige genannt, die direkt mit den oben genannten Eigenschaften
der Kondensate in Beziehung stehen. Die ersten Arbeiten mit entarteten Alkaligasen
konzentrierten sich auf die makroskopischen Eigenschaften des BEC [14, 15, 16, 17],
bevor in einer Reihe von eindrucksvollen Experimenten auch die Interferenzfähigkeit
der Kondensate demonstriert wurde [18, 19]. Schließlich gelang die Realisierung so genannter
”
Atomlaser“ [20, 21, 22]. Bei diesen Experimenten werden aus dem Reservoir
BEC, gepulst oder kontinuierlich, kohärente Materiewellen ausgekoppelt. Sie stellen das
Analogon zum optischen Laser dar.