Bose-Einstein-Feuerwerk

  • 07. November 2017

Durch stimulierte Atomkollisionen schießen aus einem Kondensat Materiestrahlen heraus.

Forscher an der Univer­sität Chicago haben an Bose-Einstein-Konden­saten stimulierte atomare Kolli­sionen beobachtet, die der Super­radianz von strahlenden Atomen im Laser ähneln. Dabei wurden umso mehr Atome in bestimmte Raum­richtungen gestreut, je mehr dorthin schon unterwegs waren. Dabei gelang es Cheng Chin und seinen Kollegen am James Franck Institut, die Wechsel­wirkung zwischen Atomen mit Hilfe von magne­tischen oder op­tischen Feshbach-Reso­nanzen maßzu­schneidern. Vor zwei Jahren konnten sie bereits den zwischen­atomaren Kräften mit einem geeignet geformten Laser­strahl die gewünschte Orts- und Zeitab­hängigkeit geben.

Abb.: Ein zeitlich periodisches Magnetfeld lässt durch eine Feshbach-Resonanz aus einem Bose-Einstein-Kondensat ein Feuerwerk hervorgehen. Aus dem Kondensat entweichen in stimulierter Weise Atome und bilden dabei deutlich sichtbare Strahlen. (Bild: L. W. Clark et al. / NPG)

Abb.: Ein zeitlich periodisches Magnetfeld lässt durch eine Feshbach-Resonanz aus einem Bose-Einstein-Kondensat ein Feuerwerk hervorgehen. Aus dem Kondensat entweichen in stimulierter Weise Atome und bilden dabei deutlich sichtbare Strahlen. (Bild: L. W. Clark et al. / NPG)

In ihrem neuen Experiment griffen die Wissen­schaftler auf magne­tische Feshbach-Reso­nanzen von Cäsium­atomen zurück. Indem sie die Atome einem Magnet­feld aussetzten, das aus einem konstanten und einem sinus­förmig veränder­lichen Teil bestand, ließen sie die Kraft zwischen zwei Atomen zeitlich perio­disch zwischen anziehend und abstoßend variieren. Etwa 30.000 Cäsium­atome befanden sich in einer optischen Falle und bildeten ein pfannkuchen­förmiges Bose-Einstein-Kondensat, das einen halben Mikro­meter dick war und einen Durch­messer von 17 Mikrometern hatte. Die zunächst ruhenden Atome wurden durch das Magnetfeld, das mit der Frequenz f oszil­lierte, paarweise zur Kollision gebracht. Dabei änderte sich die Energie der zusammen­gestoßenen Atome jeweils um hf/2, wie eine Messung der kine­tischen Energie der aus dem Kondensat entweichenden Atome ergab.

Zunächst erfolgten die einzelnen Kolli­sionen spontan und die Atome flogen in zufällige Richtungen davon. War die zeitlich perio­dische Kraft zwischen den Atomen aber so bemessen, dass diese nach einer Kollision länger im Konden­sat verbleiben und andere Atome beein­flussen konnten, bevor sie schließlich selbst entwichen, kam es zu einem sich aufschau­kelnden Prozess. Dazu musste die Amplitude der zeitlich perio­dischen Kraft­komponente einen bestimmten Schwellen­wert über­schreiten.

Ähnlich wie in einem Laser oberhalb der Laser­schwelle, wo die schon in einer Strahlungs­mode vorhan­denen Photonen die Emission weiterer Photonen dieser Mode stimulieren, brachten die nach einer Kollision in bestimmte Richtungen fliegenden Atome andere kolli­dierende Atome dazu, in dieselben Richtungen zu fliegen. Dabei wurden die Flug­richtungen in der Kondensat­ebene bevorzugt, da hier die Wahrschein­lichkeit für eine Kollision am größten war. Sah man von oben auf das Kondensat, so flogen die Atome wie bei einem Feuerwerk in alle Richtungen der Kondensat­ebene davon. Dabei zeigten sich auffällige Strahlen, was eine Korrelations­messung der Richtungs­winkel, unter denen die Atome entwichen, bestätigte: Die Wahrschein­lichkeit, dass zwei Atome in nahezu dieselbe Richtung oder in entgegen­gesetzte Richtungen davon­flogen, war stark erhöht.

Diese Beobach­tungen stimmen gut mit den Ergeb­nissen von Berech­nungen überein, die die Forscher für die zeit­liche Entwicklung des Konden­sats im Magnet­feld durch­geführt hatten. Demnach überdeckte jede „Streumode“, die als Strahl von in nahezu gleicher Richtung davon flie­genden Atomen sichtbar wurde, einen Winkel von etwa zwei Grad. Die Zahl der Atome, die durch Stimu­lation in solch eine Streu­mode gelangten, wuchs exponen­tiell mit der Zeit an. Erst wenn der Atom­vorrat im Kondensat zur Neige ging, flachte die Wachstums­kurve ab.

Wurde die exponen­tielle Wachstums­kurve einer solchen Streumode auf sehr kurze Beobachtungs­zeiten extra­poliert, so ergab sich, dass die Mode anfangs mit einem Atom besetzt gewesen war. Der sich auf­schaukelnde Stimulations­prozess hatte also mit einem zufällig in diese Richtung gestreuten Atom begonnen. Am Anfang stand demnach eine Quanten­fluktuation, die dann lawinen­artig zu einem sicht­baren Atom­strahl verstärkt wurde. Auf diese Weise könnten auch andere, exotische Materie­zustände soweit verstärkt werden, dass sie sich als inten­siver Strahl nach­weisen lassen.

Rainer Scharf

JOL

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