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

524 R. GROSS Kapitel 13: QuantenstatistikKrümmungsspuleHF-AntenneGradientenspuleBasisfeldspule(a)verdampftes Atom(b)Magnetfeldoptischer StöpselHF-induzierteVerdampfungPotenzial (µK)Abbildung 13.15: (a) Experimentelle Anordnung zur Verdampfungskühlung: eine kalte Wolke von Atomenist in einer so genannten magnetischen Kleeblattfalle (die Gradientenspulen haben die Form einesvierblättrige Kleeblatts) eingeschlossen und wird durch Verdampfungskühlung abgekühlt. Es werden dieenergiereichsten Atome durch Umdrehen ihrer Spinrichtung mittels Hochfrequenzstrahlung abgedampft(aus M.-O. Meves et al., Phys. Rev. Lett. 77, 416 (1996)). (b) Schnitt durch das Potenzial einer magnetischenFalle. Die Potenzialspitze im Zentrum wird durch die optischen Dipolkraft eines blauverstimmtenLasers erzeugt (optischer Propfen). Das Magnetfeld sorgt für die rücktreibende Kraft der Falle. Da derFeldgradient in z-Richtung doppelt so groß ist wie derjenige in x-Richtung, ist das resultierende Potenzialnicht rotationssymmetrisch und weist zwei Minima auf (aus W. Ketterle et al., Phys. Bl. 52, 573 (1996)).höchsten ist, werden vorzugsweise die kältesten Atome aus der Falle hinaus geworfen. Die Atomwolkeheizt sich dadurch indirekt auf. Das Gleichgewicht zwischen Kühlen und Heizen bestimmt die tiefsteTemperatur, die man theoretisch mit Verdampfungskühlung erreichen kann. Für Alkaliatome liegt dieseGrenze im pK-Bereich, experimentell erreicht wurden allerdings nur etwa 100 nK. Solche tiefen Temperaturenlassen sich natürlich nur erreichen, wenn die Atome in einer Falle gespeichert werden, die sievöllig von der Außenwelt isoliert und die Atome nicht aufheizt, wie dies in einer MOT der Fall ist.Die hohe Dichte, die zur Verdampfungskühlung nötig ist, lässt sich in einer magnetooptischen Falle nurerreichen, wenn die Magnetfeldgradienten sehr groß sind (die magnetische Kraft ist proportional zumGradienten des Magnetfeldes). Den magnetostatischen Feldgleichungen zufolge erzielt man die stärkstenGradienten am Nulldurchgang des Magnetfeldes. Atome werden magnetisch aber nur dann gespeichert,wenn ihr magnetisches Moment antiparallel zum Magnetfeld ist. Hieraus ergibt sich ein Problem: In sehrkleinen Magnetfeldern in der Nähe des Nullduchgangs verlieren die Atome ihre Orientierung. Nach derquantenmechanischen Unschärferelation brauchen sie eine gewisse Zeit, um den geringen Energieunterschiedzwischen dem parallelen und dem antiparallelen Spinzustand zu spüren. Wenn die antiparallelpolarisierten Atome durch einen Bereich kleiner Magnetfelder fliegen, richten sie mit einer gewissenWahrscheinlichkeit ihr magnetisches Moment parallel zum Magnetfeld aus, und aus dem anziehendenmagnetischen Potenzial wird ein abstoßendes. Bildlich gesprochen hat die Atomfalle am Nulldurchgangdes Magnetfeldes ein kleines Loch – typischerweise von Mikrometergröße – und alle Atome, die dasc○Walther-Meißner-Institut