Atomare kvantegasser. Michael Budde. Institut for Fysik og Astronomi og QUANTOP: Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik

Transkript

1 Atomare kvantegasser Når ultrakoldt bliver hot Michael Budde Institut for Fysik og Astronomi og QUANTOP: Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik Aarhus Universitet

2 Plan for foredraget Hvad er en atomar kvantegas? Hvordan laver man/vi en kvantegas? Eksempler påp hvorfor kvantegasser er spændende og relevante - også i gymnasiet Kvantegasser i gymnasiets fysik- undervisning

3 Hvad er en atomar kvantegas?

4 Klassisk atomar gas Bohr s atommodel 1913: Elektronernes bevægelse i atomer skal beskrives kvantemekanisk Bevægelse af atomet som helhed: E 2 p = + V r 2m ( ) Antal atomer med bevægelses-energi E : Klassisk beskrivelse f = ( E) exp E μ kt B Maxwell-Boltzmann statistik

5 Atomar Kvantegas Atomer der er sås kolde at antallet af atomer i en given energitilstand ikke længere l er givet ved Maxwell-Boltzmann statistik: E μ T 0 1 = ν kt = B exp ( Eν μ) kt B ± 1 ( ) exp N( E ) N E Bosoner Fermioner Bose-Einstein kondensat (BEC) Højst 1 atom pr tilstand Degenereret Fermi gas

6 Alternativt billede af Bose-Einstein kondensation n -1/3 hω Tc = 0.94 N 5nK N k B Atom-laser

7 Hvorfor er kvantegasser interessante? Bose-Einstein kondensater: Ideelle kvantesystemer: Alle atomer er i samme tilstand Makroskopisk kvantemekanik Væld af kvante-manipulations værktøjer Fermi-gasser Pauli-princippet: komplementært til BEC Tættere på dagligdags kvantegasser Cooper par / Superledning

8 Hvordan laver man/vi et Bose-Einstein kondensat?

9 Vort BEC eksperiment

10 87 Rb Magneto-Optisk Fælde E F = 3 F = 2 F = 1 F = 0 λ = 780 nm v = Hz 6.8GHz F = 2 F = 1 MOT N ~ 1 milliard 87 Rb atomer opsamles på 2-10 sekunder

11

12 Magnetisk fangning Efter MOT-fasen: Køle-laserstråler slukkes F = 2; M F = 2 Optisk pumpning til Strøm: 17 A 300 A B E = μ B m 1 zeeman 2 B F x F = 2 E zeeman m = + 2 m F = + 1 m = 0 m = 2 F F F m = 1 F x Fældedybde = 3 mk = 0.25 μev

13 Film

14 Fordampningskøling m = + 2 F m = + 1 F m F = 0 Resonansbetingelse: ( ) m Br ( ) hω = μ Br Δ = μ 1 1 RF 2 B F 2 B Radiobølger fjerner selektivt de mest energirige atomer m = 1 F m = 2 F Tal: RF-sweep: 55 MHz 930 khz Atom-tal: Temperatur: 350 μk 200 nk

15 Absorptions afbildning Digitalt kamera [, ] [ x, y] I x y T[ x, y] = = exp σ n[ x, y, z] dz I 0 Laser stråle I [ xy, ] I [ x y] 0, x y Atom-sky Illustration af I. Bloch, Uni Mainz

16 Slutning af fordampningskøling T = 450 nk T = 350 nk T =??? nk Termisk sky Bose-Einstein kondensat

17 Ekspansion af BEC I fælden Ekspansionstid = 15 ms Ekspansionstid = 30 ms Termisk sky: Bliver rund under ekspansion BEC: Inverterer under ekspansion Visuel evidens for Heissenbergs ubestemthedsrelation!!!

18 Billeder af BEC ~ billeder af bølgefunktion I fælden Ekspansionstid = 15 ms Ekspansionstid = 30 ms OD x y σ n x y z dz σn ψ x y z dz [, ] = (,, ) = (,, ) 2 2 h 2m 0 2 hvor: + V ( x, y, z) ψ ( x, y, z) = μψ ( x, y, z) Man kan fotografere 2D snit af bølgefunktionen!

19 The Nobel Prize in Physics 2001 "for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates" Eric A. Cornell University of Colorado Wolfgang Ketterle MIT E. A. Cornell and C. E. Wieman, Rev. Mod. Phys. 74, 875 (2002) W. Ketterle, Rev. Mod. Phys. 74, 1131 (2002) Carl Wieman University of Colorado

20 Eksempler

21 Eksempel 1: Interferens Så, atom + atom = vacuum!!! Wolfgang Ketterle MIT

22 Eksempel 2: Atomlaseren Nobel 2005

23 Eksempel 3: Hvirvelstrømme

24 Bose-Einstein kondensater i gymnasie-undervisningen

25 Hvorfor BEC i gymnasiet? Kvantemekanik er kommet for at blive BEC er et glimrende udgangspunkt for diskussion af: Partikel-bølge dualitet Schrödingerligningen Bølgefunktionen og dens fortolkning Heissenbergs ubestemthedsrelation Bosoner vs fermioner Temperatur Problem: Mangel på undervisningsmateriale

26 Vi kan (snart) tilbyde... Gymnasie BEC-pakke bestående af: Noter som beskriver: 1. Hvad et BEC er og hvorfor BEC ere er interessante 2. Kvantemekanik for partikel i harmonisk fælde 3. Hvordan man laver og studerer et BEC Eksperimentelle billeder: 1. til måling af den kritiske temperatur 2. som viser BEC et blive dannet 3. som viser ekspansionen for termisk sky og BEC samt software til analyse af billeder på PC

27

28 Igangværende forskningsprojekter BEC i periodiske potentialer Magnetisk Sisyphus køling Kvantegas af: 6 Li (fermioner) 7 Li (bosoner)

29 Kvantegasgruppen Sune Mai Jesper Fevre Bertelsen Henrik Kjær Andersen