Techniklexikon

Verdampfungskühlung

Atom- und Molekülphysik, evaporative Kühlung, evaporative cooling, Kühlmechanismus eines Ensembles wechselwirkender Teilchen. Dabei werden die jeweils heissesten Teilchen, also diejenigen, die sich mit der grössten mittleren Geschwindigkeit bewegen, aus dem Ensemble entfernt. Dadurch befindet sich das System zunächst nicht mehr im thermodynamischen Gleichgewicht. Kommt es aber zu elastischen Stössen zwischen den Teilchen, so rethermalisiert das Ensemble wieder, bis das thermodynamische Gleichgewicht wiederhergestellt ist. Die Temperatur des neuen Gleichgewichtszustands ist niedriger als die Ausgangstemperatur. Dieser Mechanismus spielt eine grosse Rolle bei der Herstellung von Bose-Einstein-Kondensaten (Bose-Einstein-Kondensation) in Gasen. Dabei werden Atome durch Methoden der Laserkühlung vorgekühlt und anschliessend in eine magnetische Falle geladen, um die Aufheizung der Probe durch spontane Reemission von Photonen zu verhindern (siehe Abb.). Verdampfungskühlung in einer TOP-Falle ermöglichte 1995 die erste Herstellung eines Bose-Einstein-Kondensates schwach wechselwirkender Rb-Atome. (Doppler-Grenze, Rückstossgrenze)

Verdampfungskühlung: Schematische Darstellung der Verdampfungskühlung in einer magnetischen Atomfalle (gestrichelte Linie: ungestörtes Potential, durchgezogen: Potential unter Einfluss des Radiofrequenzfeldes): Durch Einstrahlen eines Radiofrequenzfeldes geeigneter Frequenz werden Übergänge in Zustände induziert, die auf Grund ihres magnetischen Moments nicht von der magnetischen Falle gehalten werden. Dies entspricht einem »Aufweichen« des Fallenpotentials an den Rändern wie in der Abbildung gezeigt. Die kalten Atome halten sich vorwiegend im Zentrum der Falle auf und bleiben gefangen. Heissere Atome haben eine höhere Aufenthaltswahrscheinlichkeit an den Rändern der modifizierten Falle und damit eine höhere Wahrscheinlichkeit, aus der Falle zu entkommen. Dies ist der Prozess der selektiven Entfernung heisserer Atome. Anschliessend führt die beschriebene Rethermalisierung zur Abkühlung. Durch sukzessive Verringerung der Frequenz des Radiofrequenzsenders kann die Probe immer weiter abgekühlt werden.