Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

52 Kapitel 4. Kühlung von atomaren Gasen und Fallen für neutrale Teilchen
eine Laser ist rechtszirkular- (σ − ) und der andere linkszirkular polarisiert (σ + ). Ein Atom
im Grundzustand hat einen Gesamtdrehimpuls J =0, ist also nicht entartet. Der erste angeregte
Zustand hat J =1und ist damit dreifach entartet (m F = −1, 0, +1). Dadurch
regt der rechtspolarisierte Strahl nur in den Zustand m F =1im oberen Triplett-Zustand
an. Entsprechend regt der andere Laserstrahl Übergänge nach m F = −1 an. Das Magnetfeld
ist nützlich, da die Zeemann-Verschiebung für die beiden Zustände unterschiedlich ist.
Daher heben sich im Nullpunkt des Feldes die von beiden Seiten ausgeübten Kräfte auf,
und in weiter äußeren Bereichen ist der Strahlungsdruck des jeweils entgegenkommenden
Lasers durch die Rotverschiebung und die unterschiedliche Zeemann-Verschiebung größer.
Es wirkt also immer eine ortsabhängige Kraft in Richtung des Feldminimums. Weiterhin
bewirken die beiden entgegengesetzten verstimmten Laser Doppler-Kühlung.
In drei Dimensionen wird für die Erzeugung des Feldes in vielen Fällen eine sogenannte
Anti-Helmholtz-Konfiguration verwendet, das heißt zwei Spulen mit entgegengesetzter
Stromrichtung. Die Laser werden wie in Abbildung 4.6 mit abwechselnder Polarisation
angeordnet.
Pritchard konnte bereits beim ersten Versuch erfolgreich Atome mit einer MOT einfangen.
Fallen dieser Art haben sich als robust und leicht bedienbar erwiesen. Weiterhin lassen sich
mit ihnen hohe Atomdichten erreichen. Selbst Atome mit hoher Anfangsgeschwindigkeit
können eingefangen werden, sodaß es prinzipiell möglich ist, auf den Zeemann-Slower zu
verzichten. Allerdings ist der Wirkungsgrad der Falle dann geringer [75].
Zwar ist das Prinzip immer ähnlich, in ihren Details unterscheiden sich die einzelnen MOTs
allerdings sehr. Mittlerweile hat fast jede Gruppe, die sich experimentell mit der Bose-
Einstein-Kondensation beschäftigt, einen eigenen Fallentyp entwickelt. Daher sollen einige
im folgenden kurz beschreiben werden.
4.7.1 Exkurs: Penning- und Paul-Trap
Im Gegensatz zu den in den nachfolgenden Abschnitten beschriebenen Fallen ist die Paul-
Falle für geladene Teilchen entwickelt worden. Auch wenn dieser Fallentyp für Experimente
zur Bose-Einstein-Kondensation nicht benutzt werden kann, soll an dieser Stelle eine
kurze Beschreibung erfolgen, da er einen großen Einfluß auf die Entwicklung der Fallen
für neutrale Teilchen hatte.
Der Entwicklung der heute benutzten Fallen ging die Isolierung eines einzelnen Elektrons
in einer Penning-Falle voraus. Hans Dehmelt, der 1989 zusammen mit Wolfgang Paul den
Nobelpreis erhielt, gelang es 1973, unter Mitarbeit von David J. Wineland und Philipp
Ekstrom am “National Institute of Standards and Technology (NIST)” erstmals ein Elektron
einzufangen. Sie vermochten es sogar, ein Elektron zehn Monate gefangen zu halten,
bevor es versehentlich mit einer Wand der Falle kollidierte [8].
Die nach ihm benannte Falle entwickelte der holländische Physiker Frans Michel Penning,
um elektrische Ströme für Radioröhren einzuschließen [101]. In ihr wird ein Elektron zwischen
zwei negativ geladenen Platten gehalten. Ein umgebendes starkes Magnetfeld lenkt
das Elektron auf eine Kreisbahn ab, damit es weder mit der Wand kollidieren noch an den
Seiten entweichen kann.