Eigenschaften atomarer Materiewellen in mikrofabrizierten Oberflächenfallen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ein Bose-Einstein-Kondensat besteht aus ultrakalten Atomen, deren Bewegung fast vollständig ausgefroren ist. Gemäß der Quantenmechanik ist mit jedem Atom eine Welle verbunden, die umso ausgedehnter ist je langsamer sich das Atom bewegt. Überlappen die Wellen benachbarter Atome, kommt es zur Bose-Einstein-Kondensation, bei der die Atome ihren individuellen Charakter verlieren und untereinander nicht mehr unterscheidbar sind, auch nicht durch ihren Aufenthaltsort. Die Atome bilden ein tröpfchenförmiges Gebilde etwa von der Ausdehnung eines Haardurchmessers. In unserem Projekt haben wir die Eigenschaften von Kondensaten untersucht, die an der Oberfläche mikrofabrizierter Chips gespeichert sind. Die Atome werden dabei in Magnetfeldern gefangen, die von Leiterbahnen an der Chipoberfläche erzeugt werden. Diese Magnetfelder lassen sich fast beliebig räumlich gestalten und zeitlich variieren, was es ermöglicht, die Kondensate auf vielfältige Weise zu manipulieren. Interessant sind z. B. Szenarien, in denen das Kondensat präzise in Kontakt mit der Oberfläche gebracht werden kann. Dadurch kann die Wechselwirkung zwischen der Oberfläche, die Raumtemperatur hat, und dem Kondensat, das mit wenigen 100nK wohl das kälteste Objekt des Universums ist, untersucht werden. Es zeigt sich, dass trotz des enormen Temperaturgefälles das Kondensat weitgehend verlustfrei und ungestört wenige um nahe an der Oberfläche gehalten werden kann. In einem zweiten Teil unseres Forschungsvorhabens haben wir ein erstes "atomoptisches" Element an einem Chip realisiert. Ähnlich wie Laserlicht, das an einem optischen Gitter gebeugt werden kann, ist auch die Beugung der Materiewelle eines Kondensats an einer periodischen Struktur möglich. Wir verwenden dazu wiederum stromdurchflossene Leiterbahnen, die ein periodisches Magnetfeld erzeugen mit einer Periode von 4 μm. Das Kondensat wird nun kontrolliert für wenige Millisekunden in Kontakt mit dem Gitter gebracht. Dabei verändert sich die Materiewelle so, dass sie anschließend in einzelne Teile zerfällt, die in entgegen gesetzte Richtungen auseinander fliegen. Diese bewegten Strukturen kann man mit einer Kamera beobachten und untersuchen. Mit einem einfachen theoretischen Modell kann man das Phänomen analog zur optischen Beugung am Phasengitter beschreiben. Damit ist ein wichtiges atomoptisches Element demonstriert worden, mit dem sich Kondensate am Chip in Teilwellen zerlegen lassen. Die Phasenbeziehung zwischen den Teilwellen bleibt erhalten, was wichtig für die Konstruktion von "on chip" Interferometern ist. Mit solchen Interferometern ist es dann denkbar, kleinste Kräfte hochempfindlich zu beobachten. Anomalien im Erdschwerfeld könnten beispielsweise genauer gemessen werden, was zahlreiche neue Möglichkeiten für die Geophysik und die Auffindung von Rohstoffen eröffnet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Bose-Einstein-Kondensate in magnetischen Mikrofallen. Physik Journal 2 (2003) Nr 6
J. Fortágh und C. Zimmermann
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Perspectives of ultracold atoms trapped in magnetic micro potentials. Opt. Comm. 243, 45 (2004)
J. Fortágh, S. Kraft, A. Günther, C. Trück, P. Wicke, and C. Zimmermann
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Two experiments with Bose-Einstein condensates in magnetic micro traps. J. Phys. IV 116, 275 (2004)
C. Zimmermann, S. Kraft, A. Günther, H. Ott, and J. Fortágh
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Atom-optical elements on micro chips. Eur. Phys. J. D 35, 119(2005)
S. Kraft, A. Günther, P. Wicke, B. Kasch, C. Zimmermann, and J. Fortágh
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Combined chips for atom-optics. Phys. Rev. A 71, 063619 (2005)
Günther, M. Kemmler, S. Kraft, C. J. Vale, C. Zimmermann, and J. Fortágh
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Diffraction of a Bose-Einstein condensate from a magnetic lattice on a micro chip. Phys. Rev. Lett. 95, 170405 (2005)
Günther, S. Kraft, M. Kemmler, D. Koelle, R. Kleiner, C. Zimmermann, J. Fortágh
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Towards Atom Chips. Science 307, 860 (2005)
J. Fortágh and C. Zimmermann
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Highly versatile atomic micro traps generated by multifrequency magnetic field modulation. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 39 1055 (2006)
Ph.W. Courteille, B. Deh, J. Fortágh, A. Günther, S. Kraft, C. Marzok, S. Slama, C. Zimmermann
