Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

4.8 Dichtebestimmung in der Atomwolke 57
Nach der Erzeugung der ersten Kondensate befaßte sich die Gruppe mit der Entwicklung
einer neuen Anordnung der Magnetfelder [90]. Die Cloverleaf (“Kleeblatt”)-Falle ist in
Abbildung 4.14 dargestellt. Sie stellt eine Verbesserung der bis dahin benutzten Fallen dar,
denn sie ist flexibler als eine mit Permanentmagneten, erzeugt ein zeitunabhängiges Feld
(im Gegensatz zur TOP Trap), benötigt keinen “Optical Plug” und auch keine Versorgung
mit flüssigem Helium, um die Spulen supraleitend zu machen. Die Konfiguration der Felder
entspricht – wie bei der Permanent Magnet Trap – dem Ioffe-Pritchard-Typ. In diesem Fall
werden allerdings acht normalleitende Elektromagneten benutzt, um das Quadrupolfeld zu
erzeugen. Dieses ist symmetrisch zur optischen Achse und die Anordnung der Magneten in
Kleeblattform gibt der Falle ihren Namen. Die äußeren Spulen erzeugen wie bei der Permanent
Magnet Trap ein Dipolfeld. Zusätzlich verfügt diese Falle über zwei weitere Spulen,
die das effektive Feld im Zentrum der Falle verringern, um den radialen Feldgradienten zu
vergrößern (Krümmungsspulen). Da die Spulen wie Helmholtz-Spulen angeordnet sind, ist
die Atomwolke für die Laser und den RF-Sender gut erreichbar.
4.8 Dichtebestimmung in der Atomwolke
Zur Messung der Temperatur und der Dichteverteilung in einem gekühlten Gas benutzt
man häufig eine Bestimmung der Fallzeit [4, 33]. Dazu wird das Magnetfeld abgeschaltet,
und die Wolke kann sich ungehindert ausdehnen. Ein schwacher vertikaler Feldgradient
wird angelegt, um der Gravitation entgegenzuwirken und nach weniger als 100ms wird das
Gas mit einem Laser beleuchtet, dessen Wellenlänge einer Absorptionfrequenz der Atome
entspricht. Der Strahldurchmesser ist dabei größer als die Abmessungen der Gaswolke, und
mit Hilfe Absorption des Lichtes durch die Atome ensteht auf einem CCD-Detektor hinter
dem Gas ein Schatten. Dieser liefert Aussagen über die Größe der Wolke nach der Expansion
und erlaubt die Berechnung der ursprünglichen Geschwindigkeitsverteilung. Die
Geschwindigkeitsverteilung wird mit einer zweidimensionalen “Time of Flight”-Messung
bestimmt. An jedem Punkt des Bildes ist die optische Dichte proportional zur Dichte der
Atome. Daher lassen sich aus einem einzigen Bild die Geschwindigkeit und die Phasenraumdichte
und damit die Temperatur bestimmen.
Für eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Expansion werden mehrere Aufnahmen
von verschiedenen Kühlprozessen, bei denen die Verdampfungskühlung zu unterschiedlichen
Zeitpunkten abgebrochen wird, gemacht. Man geht dabei davon aus, daß der Ablauf
des Versuchs immer gleich ist. Reiht man die erhaltenen Bilder zeitlich hintereinander auf,
erkennt man zuerst eine thermische Verteilung. Ab einem bestimmten Zeitpunkt aber beginnt
sich ein starker Peak über der Verteilung zu bilden, und nach noch weiterer Kühlung
sind nahezu alle Atome kondensiert.
Die Gruppe um R.G. Hulet benutzte eine Falle mit Permanentmagneten (Abschnitt 4.7.3),
die den Nachteil hat, daß die Felder nicht einfach abgeschaltet werden können. Daher ist
es nicht möglich die oben beschriebene Fallzeitmethode zur Bestimmung der Temperatur
zu verwenden. Die RICE-Gruppe beleuchtet ihre Atome daher mit einem Laser und bildet
sie mit einem Linsensystem und einer CCD-Kamera ab [17, 110, 119]. Da das Kondensat
nur etwa viermal so groß ist wie die Wellenlänge des benutzten Lasers, muß sehr darauf
geachtet werden, daß auch tatsächlich die Atomwolke abgebildet wird. Man benutzt aus