Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

54 Kapitel 4. Kühlung von atomaren Gasen und Fallen für neutrale Teilchen
Die von Wolfgang Paul in den frühen fünfziger Jahren vorgeschlagene Falle, unterscheidet
sich von der Penning-Falle durch die Verwendung von elektrischen Wechselfeldern
zwischen den Deckelelektroden und der Ringelektrode. Dadurch kann auf das Magnetfeld
verzichtet werden [100].
Für die Experimente nötige Laserstrahlen können durch die Spalte zwischen den Deckelund
der Ringelektrode auf das Zentrum der Falle gerichtet werden.
Penning- und Paul-Fallen werden heute bei vielen Experimenten eingesetzt. Ein Beispiel
ist ISOLTRAP am CERN, wo eine Kombination aus zwei hintereinander geschalteten
Penning-Fallen zur genauen Bestimmung der Massen instabiler Isotope genutzt wird [7].
Während die erste Falle nur zur Kühlung der von der Quelle kommenden Ionen dient, werden
in der zweiten Zyklotron- und Magnetronfrequenz gemessen und daraus die Masse
bestimmt. Die Ergebnisse sind weitaus präziser als es mit den meisten anderen Methoden
möglich wäre.
4.7.2 TOP Trap
Die erste Gruppe, die ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugen konnte, war die Gruppe um
Eric A. Cornell am Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA), dem National Institute
for Standards and Technology (NIST) sowie der University of Colorado [4]. Dieser
Schritt war durch eine Weiterentwicklung der bis dahin üblichen Quadrupolfallen möglich
geworden, die durch ihr verschwindendes Feld im Zentrum und dadurch entstehende
Majorana-Flops keine ausreichenden Teilchendichten ermöglichte. Die TOP-Falle (“timeaveraged,
orbiting potential trap”) [104] besteht aus einem Quadrupolfeld, das mit Hilfe der
bereits oben beschriebenen Anti-Helmholtz-Konfiguration erzeugt wird und einem schwachen
Feld, das mit einer Frequenz von einigen Kilohertz um die Symmetrieachse rotiert.
Würde dieses Feld konstant sein, wäre der Ort, an dem die Felder verschwinden, nur verschoben
und die Atome (hier Rubidium 87) würden sich dort sammeln und könnten aus
der Falle entkommen. In der TOP-Falle wird dagegen ein harmonisches Potential erzeugt.
Die Rotationsfrequenz muß viel größer sein als die Frequenz mit der die Atome schwingen
(einige hundert Hertz), da das entstehende effektive Potential erst dadurch für die gefangenen
Teilchen konstant zu sein scheint. Der Ort, an dem die Atome die Falle verlassen
könnten, wird also schneller bewegt als die Teilchen reagieren können. Durch das rotierende
Feld werden die Spins ständig polarisiert, wodurch noch mehr Atome in der Falle
gehalten werden.
In einer Quadrupolfalle entweichen die Atome aus einem ellipsoidförmigen Bereich im
Zentrum des Feldes. In der TOP-Falle müssen ebenfalls Verluste in Kauf genommen werden.
Allerdings ist der hier interessante Bereich ein Ring um das Zentrum, da das Minimum
rotiert. Dadurch werden hauptsächlich höherenergetische Atome entfernt - Verdampfungskühlung
ist somit gewissermaßen bereits eingebaut. Verringert man weiterhin die Stärke
des rotierenden Feldes, verschiebt sich das Minimum in Richtung des Zentrums und weitere
Atome können entfernt werden. Die maximale Größe einer gefangenen Atomwolke ist
bei der TOP-Trap durch den Radius der Trajektorie des Minimums um das Zentrum gegeben.
Werden größere Atomwolken in die Falle geladen, so werden sie binnen kürzester Zeit
auf diese Größe zusammenschrumpfen, so daß alle weiter außen liegenden Teilchen ent-