Sympathetische Kühlung von Rb- Rb-Gemischen

5. Sympathetisches Kühlen 43
5. Sympathetisches Kühlen
In diesem Kapitel wird die erste Realisierung sympathetischen Kühlens zwischen zwei verschiedenen
neutralen bosonischen Atom-Spezies vorgestellt. Dabei wurde 85 Rb auf ultrakalte
Temperaturen gebracht, indem in derselben Falle enthaltenes 87 Rb evaporativ gekühlt
wurde.
5.1. Hintergrund
Beim sympathetischen Kühlen wird eine kalte Atom- oder allgemein Teilchenwolke durch
elastische Stöße an ein thermische Reservoir bestehend aus einer zweiten Atomwolke angekoppelt.
Jetzt kann diese zweite Wolke evaporativ gekühlt werden, und die erste Wolke
gleicht sich der neuen Temperatur an [36].
Was sind die wesentlichen Vorteile dieses Kühlverfahrens? Zum einen ist es sehr universell
und es ist auch für Teilchen geeignet, die sich anderen Kühlverfahren verschließen.
Die Technik des evaporativen Kühlens stellt relativ harte Anforderungen sowohl an die zu
kühlende Atomsorte als auch an die Apparatur: Evaporatives Kühlen kann nur funktionieren,
wenn die zu kühlende Teilchensorte einen hinreichend großen Streuquerschnitt hat und wenn
genügend dieser Teilchen gefangen werden können. Dies ist längst nicht für alle interessanten
Atome der Fall. So hat z. B. 85 Rb einen verschwindenden s-Wellen-Streuquerschnitt
σ85 für Stoßenergien von ≈ kB×300 µK und kann daher nur unter Umgehung dieses Temperaturbereiches
überhaupt evaporativ gekühlt werden [6]. Wie genaue Rechnungen aber
zeigen [4], sollte es der konstant große Rubidium-Interspezies-Streuquerschnitt σ87−85 erlauben,
sympathetisches Kühlen auf 85 Rb anzuwenden mit 87 Rb als Kältereservoir (vgl. Abbildung
1.1 auf Seite 8).
Eine andere, in Referenz [37] angestrebte Anwendung für sympathetisches Kühlen ist,
kleine Atomwolken zu kühlen. Können nur wenige Atome der gewünschten Sorte, hier
künstlich hergestelltes 84 Rb, in der Magnetfalle gefangen werden, so darf von diesen wenigen
Atomen nicht auch noch ein Großteil beim Evaporieren aus der Falle entfernt werden.
Ein besser verfügbares “Kühlmittel”, in der Referenz wieder 87 Rb, wird stattdessen evaporativ
gekühlt und kühlt dann die seltene Komponente sympathetisch mit.
Sympathetisches Kühlen wird seit kurzem auch auf Fermionen angewendet. Diese sind
evaporativem Kühlen ebenfalls nicht zugänglich, da Fermionen bei hinreichend kleinen Temperaturen
nicht mehr stoßen (vgl. Kapitel 2.1.3 auf Seite 14). Eine erfolgreiche Demonstration
dieses Verfahrens wurde zeitgleich zu dieser Arbeit in Referenz [38] gezeigt. Dort wird
sympathetisches Kühlen verwendet, um Fermionen nahe an den Bardeen-Cooper-Schrieffer
ˆ= BCS-Übergang [39] zu kühlen. In dem hier vorgestellten Experiment hingegen soll später
ein Gemisch zweier Bose-Einstein-Kondensate verschiedener Isotope untersucht werden.