Vorlesungsskript Physik IV - Walther Meißner Institut - Bayerische ...

520 R. GROSS Kapitel 13: QuantenstatistikTemperaturDichte (1/cm³)PhasenraumdichteAtomofen500 K10 1410 -13Laserkühlung50 µK10 1110 -6Verdampfungskühlung500 nK10 142.612Bose-Einstein Kondensation10 1510 7Tabelle 13.1: Typische Kühlschritte bei der Realisierung eines Bose-Einstein Kondensats. Durch dieKombination von Laser- und Verdampfungskühlung wird das Gas um 9 Größenordnungen abgekühlt,während die Dichte bei der Bose-Einstein Kondensation der ursprünglichen Dichte im Atomofen entspricht.In jedem Schritt wird die Besetzung des Grundzustands (die proportional zur Phasenraumdichteist) um etwa den Faktor 10 6 erhöht.so dass diese Bedingung gut erfüllt ist. Die Stabilität des Bose-Einstein Kondensats erfordert zudem,dass die Wechselwirkung abstoßend ist. Bei einer attraktiven Wechselwirkung wird das Bose-EinsteinKondensat oberhalb einer bestimmten Größe instabil.13.4.3 Realisierung eines Bose-Einstein KondensatsDas Phänomen der Bose-Einstein Kondensation ist verantwortlich für die Suprafluidität von Helium. BeiHelium handelt es sich allerdings um ein Gas hoher Dichte und die theoretische Beschreibung machteine detaillierte Beschreibung der Wechselwirkungen notwendig. Die Realisierung eines verdünnten,nur schwach wechselwirkenden Gases von bosonischen Teilchen wurde mit verschiedenen Ansätzenverfolgt: flüssiges Helium verdünnt in Vycor, Exzitonen in Halbleitern, die aus schwach gebundenenElektron-Loch-Paaren bestehen, und atomare Gase. Der letzte Ansatz war schließlich der erfolgreichsteund soll hier näher diskutiert werden.Bei sehr tiefen Temperaturen werden atomare Gase flüssig oder fest. Um dies zu vermeiden, muss mandas Gas bei genügend kleiner Dichte halten. Elastische Stöße, die zu einer Thermalisierung des Gasesführen, sind dann wesentlich häufiger als 3-Teilchen-Stöße, die zur Bildung von Molekülen oder andererAggregate notwendig sind. Aus diesem Grund ist die gasförmige Phase für viele Sekunden oder gar Minutenmetastabil und erlaubt die Beobachtung von Bose-Einstein Kondensaten. Typische Dichten sind10 12 − 10 15 Teilchen pro cm 3 . Berechnet man die zu dieser Dichte gehörende KondensationstemperaturT BEC , so erhält man Werte im Nanokelvin- bis Mikrokelvin-Bereich. Das heißt, die Realisierung einesBose-Einstein Kondensats erfordert Techniken zum Kühlen eines atomaren Gases zu sehr niedrigen Temperaturen.Ferner werden Atomfallen benötigt, um das Gas einzuschließen und von der viel wärmerenUmgebung fernzuhalten. Aufgrund dieser experimentellen Schwierigkeiten ist es erst 1995 gelungen,Bose-Einstein Kondensate aus Alkali-Atomen wie Lithium, Rubidium oder Natrium herzustellen.c○Walther-Meißner-Institut