Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

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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-
4.7 Permanent Magnet Trap 55 weichen können. Ein weiterer Nachteil dieses Fallentyps sind die im Vergleich zu den im Folgenden beschriebenen Fallen beschränkteren Möglichkeiten, das Gas mit Laserstrahlen oder RF-Wellen zu erreichen. Die Anordnung der Spulen läßt weniger Freiraum zur Verfügung als zum Beispiel bei der Cloverleaf-Trap. Der Aufbau der TOP-Falle ist in Abbildung 4.12 zu sehen. Abbildung 4.12: Schematische Darstellung der TOP-Falle (nach [4]). Die großen horizontal angebrachten Spulen erzeugen das Anti-Helmholtz-Feld und die kleinen vertikal installierten sind für das rotierende Feld verantwortlich. In Kapitel 5 soll das Verhalten einer Atomwolke in dieser Falle simuliert werden. Aus diesem Grund werden dort weitere Einzelheiten des Experiments und Eigenschaften dieses Fallentyps erklärt. 4.7.3 Permanent Magnet Trap Die zweite Gruppe, die es geschafft hat, ein Bose-Einstein-Kondensat zu erzeugen, ist die um Randal G. Hulet an der Rice-University in Houston, Texas. Sie benutzen eine Falle mit Permanentmagneten in einer sogenannten Ioffe-Pritchard-Konfiguration [119], um Lithium-Atome einzufangen. Permanentmagnete haben den Vorteil, daß sie relativ leicht herstellbar sind und einen guten Zugang für die optischen Verfahren ermöglichen, weil die einzelnen Magneten im Vergleich zu supraleitenden weniger Platz benötigen. Nachteilig wirkt sich allerdings aus, daß die Felder nur schwer an andere Experimente angepaßt werden können, da die Permanentmagnete ein festes Feld besitzen. Die Falle besteht aus sechs symmetrisch angeordneten Magneten, von denen vier ein Quadrupolfeld in der x-y-Ebene erzeugen. Die in Richtung der z-Achse angeordneten Magneten produzieren ein Dipolfeld. Das effektive Potential hat dadurch ein Minimum im Zentrum der Falle (siehe Abbildung 4.13). In der benutzten Falle hat jeder Magnet eine Oberflächenmagnetisierung von 0,5 Tesla. Wollte man dieses Feld mit einer Spule erzeugen, würde sie die für diese Experimente nutzbaren Abmessungen übersteigen. Mit su-
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108 Anhang C. Artikel
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Literaturverzeichnis [1] C.S. Adams
Seite 137 und 138:
LITERATURVERZEICHNIS 129 [31] F. Da
Seite 139 und 140:
LITERATURVERZEICHNIS 131 [64] E.R.
Seite 141 und 142:
LITERATURVERZEICHNIS 133 [99] T. Pa
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