Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser...
Transcript of Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser...
![Page 1: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/1.jpg)
AtomareAtomare kvantegasserkvantegasser NNåårr ultrakoldtultrakoldt bliverbliver ‘‘hothot’’
Michael Michael BuddeBudde
Institut for Fysik og AstronomiInstitut for Fysik og Astronomiogog
QUANTOP: Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik QUANTOP: Danmarks Grundforskningsfonds Center for Kvanteoptik
Aarhus UniversitetAarhus Universitet
![Page 2: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/2.jpg)
Plan for foredragetPlan for foredragetHvad er en atomar kvantegas?Hvad er en atomar kvantegas?
Hvordan laver man/vi en kvantegas?Hvordan laver man/vi en kvantegas?
Eksempler pEksempler påå hvorfor kvantegasser er hvorfor kvantegasser er spspæændende og relevante ndende og relevante -- ogsogsåå i gymnasieti gymnasiet
Kvantegasser i gymnasiets fysikKvantegasser i gymnasiets fysik--undervisningundervisning
![Page 3: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/3.jpg)
Hvad er en atomarHvad er en atomar kvantegas ?kvantegas ?
![Page 4: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/4.jpg)
Bohr’s atommodel 1913:Elektronernes bevægelse i atomer skalbeskrives kvantemekanisk
Bevægelse af atomet som helhed:
Klassisk atomar gasKlassisk atomar gas
( )2
2pE Vm
= + r
( ) expB
Ef Ek T
μ⎡ ⎤−= −⎢ ⎥
⎣ ⎦
Antal atomer med bevægelses-energi :E
Maxwell-Boltzmann statistik
Klassisk beskrivelse
![Page 5: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/5.jpg)
Atomar KvantegasAtomar KvantegasAtomer der er sAtomer der er såå kolde at antallet af atomer i en given kolde at antallet af atomer i en given energitilstand ikke lenergitilstand ikke læængere er givet ved ngere er givet ved MaxwellMaxwell--BoltzmannBoltzmann statistik:statistik:
( ) ( ) ( )10exp
exp 1B B
E TN E N Ek T E k Tν
ν
μμ
⎡ ⎤− →= − ⎯⎯⎯⎯→ =⎢ ⎥ − ±⎡ ⎤⎣ ⎦ ⎣ ⎦Bosoner Fermioner
Højst 1 atom pr tilstandBose-Einstein kondensat(BEC) Degenereret Fermi gas
![Page 6: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/6.jpg)
Alternativt billede af Bose-Einstein kondensation
1 13 30.94 5nKc
B
T N Nkω
= × ×h
Atom-laser
n-1/3
![Page 7: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/7.jpg)
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
![Page 8: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/8.jpg)
Hvordan laver man/vi et Bose-Einstein kondensat?
![Page 9: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/9.jpg)
Vort BEC eksperiment
![Page 10: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/10.jpg)
N ~ 1 milliard
87Rb atomeropsamles på
2-10 sekunder
Magneto-Optisk
Fælde
MOT
E
1F =
2F =
1F =2F =
3F =
0F =780 nmλ =
87 Rb
6.8GHz
143.8 10 Hzv = ×
![Page 11: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/11.jpg)
![Page 12: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/12.jpg)
Magnetisk fangningEfter MOT-fasen:
B
x
• Køle-laserstråler slukkes• Optisk pumpning til• Strøm: 17 A → 300 A
zeemanE
x
12zeeman B FE mμ= B
2F =
2Fm = −
0Fm =
2Fm = +
1Fm = +
1Fm = −
2; 2FF M= =
Fældedybde = 3 mK
= 0.25 μeV
![Page 13: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/13.jpg)
Film
![Page 14: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/14.jpg)
Tal: • RF-sweep: 55 MHz → 930 kHz• Atom-tal: 109
→ 2 ×
105
• Temperatur: 350 μK
→
200 nK
Resonansbetingelse:
( ) ( )1 12 2RF B F Bmω μ μ= Δ =B r B rh
2Fm = −
0Fm =
2Fm = +
1Fm = +
1Fm = −
Radiobølger fjerner selektivtde mest energirige atomer
Fordampningskøling
![Page 15: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/15.jpg)
Absorptions afbildning
Digitalt kamera
Laser stråle
Atom-sky
[ ],I x y
[ ]0 ,I x y
[ ] [ ][ ] [ ]
0
,, exp , ,
,I x y
T x y n x y z dzI x y
σ∞
−∞
⎡ ⎤= = −⎢ ⎥
⎣ ⎦∫
x
y
Illustration af I. Bloch, Uni
Mainz
![Page 16: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/16.jpg)
Slutning af fordampningskøling
Termisk sky Bose-Einsteinkondensat
T = 450 nK T = 350 nK T = ??? nK
![Page 17: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/17.jpg)
Ekspansion af BECI fælden Ekspansionstid
= 15 ms Ekspansionstid
= 30 ms
Termisk sky: Bliver rund under ekspansionBEC: Inverterer under ekspansion
Visuel evidens for Heissenbergs ubestemthedsrelation !!!
![Page 18: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/18.jpg)
Billeder af BEC ~ billeder af bølgefunktionI fælden Ekspansionstid
= 15 ms Ekspansionstid
= 30 ms
[ ] ( ) ( ) 20, , , , ,OD x y n x y z dz N x y z dzσ σ ψ
∞ ∞
−∞ −∞
= =∫ ∫
Man kan fotografere 2D snit af bølgefunktionen!
hvor: ( ) ( ) ( )2
2 , , , , , ,2
V x y z x y z x y zm
ψ μ ψ⎡ ⎤− ∇ + =⎢ ⎥⎣ ⎦
h
![Page 19: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/19.jpg)
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. CornellUniversity
of
Colorado
Wolfgang KetterleMIT
Carl WiemanUniversity
of
ColoradoE. A. Cornell and C. E. Wieman, Rev. Mod. Phys. 74, 875 (2002) W. Ketterle, Rev. Mod. Phys. 74, 1131 (2002)
![Page 20: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/20.jpg)
Eksempler
![Page 21: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/21.jpg)
Eksempel 1: Interferens
Så, atom + atom = vacuum
!!!
Wolfgang KetterleMIT
![Page 22: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/22.jpg)
Eksempel 2: Atomlaseren
Nobel 2005
![Page 23: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/23.jpg)
Eksempel 3: Hvirvelstrømme
![Page 24: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/24.jpg)
Bose-Einstein kondensater i
gymnasie-undervisningen
![Page 25: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/25.jpg)
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
![Page 26: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/26.jpg)
Vi kan (snart) tilbyde...Gymnasie BEC-pakke bestående af:
Noter som beskriver:1.
Hvad et BEC er og hvorfor BEC’ere
er interessante2.
Kvantemekanik for partikel i harmonisk fælde3.
Hvordan man laver og studerer et BEC
Eksperimentelle billeder:1.
til måling af den kritiske temperatur2.
som viser BEC’et
blive dannet3.
som viser ekspansionen for termisk sky og BEC
samt software til analyse af billeder på
PC
![Page 27: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/27.jpg)
![Page 28: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/28.jpg)
Igangværende forskningsprojekter
•
BEC i periodiske potentialer
•
Magnetisk Sisyphus
køling
•
Kvantegas af: 6Li (fermioner) 7Li (bosoner)
![Page 29: Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser · 2012-01-27 · Atomare Atomare kvantegasser kvantegasser Når r ultrakoldt ultrakoldt bliver bliver ‘hot’ Michael Budde Institut for](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022041800/5e50f2f8a38ecc08e20788a1/html5/thumbnails/29.jpg)
KvantegasgruppenHenrik Kjær AndersenJesper Fevre
BertelsenSune Mai