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Inhalt Atome als Quantenmechnische Teilchen Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice Doppelspaltversuche mit Teilchen: Elektronen Atome, Moleküle Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission Beispiel H 2 Quantenkryptographie Lichtgitter
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Inhalt • Atome als Quantenmechnische Teilchen • Wiederholung Interferenz und Doppelspalt, Paradoxien, Delayed Choice • Doppelspaltversuche mit Teilchen: • Elektronen • Atome, Moleküle • Dekohärenz: Teilchenstreuung, Lichtstreuung, thermische Emission • Beispiel H2 • Quantenkryptographie • Lichtgitter • 1.6.1. Markieren statt ausblenden • 1.6.2. Dipolkraft • 1.6.3. Kapitza Dirac Effekt • 1.6.4. Braggstreuung an Lichtgittern • 7.Atomspiegel • Wechselwirkung mit Atomen • Photon-Atom Wechselwirkung • Wiederholung: Photoeffekt, Comptoneffekt, • Winkel- und Energieverteilungen • Doppelanregung, Interferenzeffekte • Mehrfachionisation: Mechanismen, Energie- und Winkelverteilungen • Molekulare Photoionisation: Höhere Drehimpulse • Atome in starken Laserfeldern • Multiphotonenionisation • Tunnelionisation • Der Rückstreumechanismus: Höhere Harmonische, hochenergetische Elektronen, Doppelionisation • Mehrfachionisation: Mechanismen, Impulse und Energien • Ion-Atom Stöße • Elektronentransfer • Ionisation
1.6.1. Markieren statt ausblenden Spiegel 2p8 Laser 801 nm 1s5 Grund zustand Ar* sieht nur Ar* blind für Ar stehende Lichtwelle • Beugung an einem resonanten • Lichtgitter • Markieren statt Ausblenden • Rolle von Materie und Licht • vertauscht Abfalterer et al PRA 56 R4365 (1997) Abfalterer et al PRA 56 R4365 (1997)
2p8 1s5 Grund zustand Spiegel Ar* • Laser um • 60 natürliche • Linienbreiten • verstimmt • kein Pumpen • stimulierte • Emission • Atome bleiben Ar* Kapitza Dirac Effekt (1933) (vorhergesagt für Elektronen in Lichtfeldern) Rasel et al PRL 75 2633 (1995), erstmals: Gould et al PRL 56 827 (1986)
Welche Kräfte lenken die Atome ab: • Dipolkraft: • Feld induziert atomaren Dipol • Polarisierbarkeit hängt von der • Verstimmung ab • inomogenes Feld übt • Kraft auf Dipol aus
2p8 Spiegel 1s5 Grund zustand Wellenbild: reelles optische Potential bewirkt ortsabhängige Phasenverschiebung Lichtoptisches Analogon: Phasengitter Anwendung: Ultraschallwelle in Flüssigkeiten Rasel et al PRL 75 2633 (1995) Ar*
Teilchenbild: Breite Aufstreuung! QM: Ortsabhängige Phasenmodulation
Spiegel 2p8 Teilchenbild: im inhomogenen Feld Ar* 1s5 Grund zustand netto: 2 n hk + stimulierte Emission Absorbtion -4 -2 0 2 4 hk Könnte man die Photonen zählen? Zerstört die Streuung die Kohärenz? Photonenzahl keine gute Quantenzahl Das Teilchenbild hinkt: Beschreibt nicht die Einhüllende (Bessel statt Gauss)
Kapitza Dirac Effekt für Elektronen • Freimund DL, Aflatooni K, Batelaan H.Nature 2001 Sep 13;413(6852):142-3 Elektronenwelle: örtliche Beschleunigung/Abbremsung durch E_Feld aus Laserlicht
Laser Source Lens Lens Mirror Mirror Mirror Splitter Mirror Experimental Setup
The Kapitza-Dirac Effect Dx= L Dq = = L ldB/d = = 55 mm Dx Laser on Laser off
Dipolkraft: Fallen
Einfachster Fall einer Dipolfalle: Sammellinse
Bragg Reflektion von Atomen und Elektronen an Lichtgitter Wiederholung: Bragg Reflektion von Photonen an Kristallgittern
Spiegel Ar* Bragg*3 Bragg mm Bragg Reflektion Dickes Gitter 17.7 mrad Bragg Winkel Bragg Streuung von Materiewellen in „Lichtkristallen“ Rolle von Licht und Materie invertiert Bernett et al PRL 77, 5160 (1996)
Lithographie mit • Atomstrahlen • atomoptische Manipulation • (Fokussierung oder • Deaktivierung) • Direktes Abscheiden oder • Aktivierung & Ätzen • kurze Wellenlänge (Å) • gegenüber Licht http://quantum-optics.physik.uni-konstanz.de
Abscheidung von Chrom FWHM 64 nm LASER Fokussierend (rotverstimmt) Defokussierend (blauverstimmt) Haubrich et al. Phys. Bl. 53, 523 (1997)
Magnetische Spiegel Wdh. Stern Gerlach
Otto Stern Walther Gerlach 1920-1925 Frankfurt 1914-1922 Privatdozent bei Max Born in Frankfurt Danach – Rostock - Hamburg
Spalte, definieren einen dünnen Strahl Ofen erzeugt Strahl von Silberatomen Magnetpolschuh Photoplatte zum Nachweis inhomogenes Magnetfeld
Prinzip des Stern-Gerlach Experimentes: Energie eines magnetischen Dipols im magnetischen Feld: In einem inhomogenen Magnetfeld wirkt:
Stern&Gerlach schlossen: Drehimpuls der Bohrschen Bahnen ist Richtungsquantisiert. ABER: Glück des Tüchtigen: Ag ist l=0 aber s mit l=1 hätten sie nichts gesehen!
Surface With Sinusoidal Magnetisation Constant |B| Contours B Field Lines z x A flat, short-range mirror for weak-field seeking states
Dropping Atoms Onto A Curved Mirror 17mm t = 0 t = 15ms t = 30ms Flat mirrors are unstable Curved mirrors are stable
2p8 1s5 Grund zustand Ar* Spiegel Spiegel Ar* Bragg Reflektion Dickes Gitter 17.7 mrad Bragg Winkel Kräfte: Dipolkraft: Licht „off- Resonanz“ Magnetisch: Stern-Gerlach
Magneto Optical Trap • Laserkühlung • Zeemaneffekt
Laserkühlung: Emission Absorbtion Energie h Impulsübertrag Impulsübertrag p=h/c p=h/c Absorbtion und Emission beschleunigt oder bremst Atome
Na Dampflampe 1/3 Photon pro Atom
Isotope Separation by Beam Deflection Pique J.L. and Vaille, J.L, Opt. Comm 5, 402 (1972). • For typical laser beam size and atomic beam velocity ~ 6 cycles per atom • Deflection angle small ~ 10-5 Rad • Isotope shift ~ 1 part in 105 . Enough to ensure laser resonates with (and thus pushes) only one isotope. Movable Detector Cs Atomic beam oven Laser beam
Beispiel: • Na Atome (m=23) 3,8 10-26kg • = 589 nm E= 2eV v = p/m = ~/ mc = 3cm/s (Pro Photon!) V= 1000m/sec auf v=0 3 104 Photonen 2 =32nsec (10-9sec) !1msec a= 106m/sec2 (105 g!!!)
Dopplerverbreiterung: Linie Atom in Ruhe E t > ~ Frequenz Beispiel: Na D Linie 500K Dopplerbreite 100mal natürliche Linienbreite Thermische Bewegung
Dopplerverbreiterung: Absorbtion: gerichteter Impulsübertrag Emission: ungerichtet Linie Atom in Ruhe Impulsübertrag p=h/c Laserfrequenz Frequenz
Dopplerverbreiterung: Linie Atom in Ruhe Laserfrequenz Frequenz Verschiebe Laser oder Linie (magnetische Felder) z.B. Ionen im Speicherring Ionen in Falle (Kristallisation) Atome
Laserfrequenz Frequenz
Abgebremste Atome Thermische Atome aus Ofen Geschwindigkeit (m/sec) W.D. Phillips, Rev. Mod. Phys. 70, 721
Optische Molasse: Atome werden nicht gefangen (keine Ortsabhängige Kraft) Atome mit v=0 keine Wechselwirkung v -> Gegenkraft Reibung (Sirup) + Ortsabhängiges B-Feld + Zeemaneffekt ----------------------------- MOT FALLE
Wiederholung: Zeemaneffekt
Drehimpuls l r Warum 3 nicht 5 Linien????
1) Äquidistant D ml=-2 Verboten (Drehimpulserhaltung) 2) nur D ml=0,§ 1 Warum 3 nicht 5 Linien????
Drehimpuls wird vom Photon • aufgenommen: • Dl=1 (im Bild immer erfüllt) • Dml =Richtung desPhotonendrehimpulseszum Magnetfeld