Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

48 Kapitel 4. Kühlung von atomaren Gasen und Fallen für neutrale Teilchen
konstruiert, denn die Realisierung war mit den damaligen Mitteln noch nicht möglich. Phillips
fing mit seiner Falle gekühlte Natriumatome ein.
Wie bereits erklärt, werden für eine funktionierende Falle ortsabhängige Kräfte benötigt.
Man kann solche beispielsweise erzeugen, indem man die Intensität eines Laserstrahls ortsabhängig
variiert. Eine mögliche eindimensionale Anordnung besteht aus zwei gegenüberliegenden
divergenten Lasern, wie in Abbildung 4.10 dargestellt. Die Foci der beiden blauverstimmten
Laser fallen nicht zusammen, liegen einander aber sehr nahe. Im Zentrum
wirkt auf ein Teilchen eine Kraft, die von beiden Seiten gleich groß ist. Bewegt es sich aber
weiter nach rechts oder links, steigt der Strahlungsdruck aus dieser Richtung an und der
Gegendruck aus der gegenüberliegenden Richtung wird aufgrund der geringeren Intensität
kleiner. Das Teilchen wird also ins Zentrum der Falle gedrückt. Der Vorschlag für diesen
Fallentyp kam 1970 von Ashkin [5].
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Abbildung 4.10: Eindimensionale Strahlungsdruckfalle aus zwei gegenüberliegenden divergenten
Lasern.
Diese eindimensionale Falle kann auch als Linse für einen Atomstrahl benutzt werden, indem
man die Atome nicht in Richtung der Laser, sondern senkrecht dazu fliegen läßt. Dann
halten sie sich nur für kurze Zeit im beleuchteten Gebiet auf und erhalten eine Geschwindigkeitskomponente
in Richtung des Fallenzentrums. Da der Strahlungsdruck nur in der
Mitte der Wechselwirkungszone von beiden Seiten gleich ist, werden die äußeren Atome
des Strahls stärker abgelenkt als die inneren.
Da die eindimensionale Falle auch als Linse benutzt werden kann, ist klar, daß sie nicht in
alle Richtungen wirken kann. Auf Teilchen, die sich abseits von der optischen Achse befinden,
wirkt sogar eine abstoßende Kraft. Eine dreidimensionale Falle läßt sich realisieren,
indem die Anordnung aus Abbildung 4.10 auch für die anderen beiden Raumrichtungen
benutzt wird. Die Laser werden also wie in Abbildung 4.6 angeordnet, wobei die Zentren
am selben Ort sind. Aus allen Richtungen wirkt so die betragsmäßig gleiche Kraft auf ein
Teilchen, daß sich im Zentrum der Falle befindet.
Bei einer solchen Falle treten einige Probleme auf, und für eine hohe Effektivität müssen
die Laserintensitäten relativ groß sein, wodurch es zu einer Erwärmung und Diffusion
senkrecht zum Laserstrahl kommt.
Das “optische Earnshaw Theorem” [105] ist ein Analogon zu einem Theorem der Elektrodynamik,
das einen stabilen Zustand für ein gefangenes geladenes Teilchen verbietet. Es