Wie kühlt man Atome?

Verdampfungskühlen

 

Sara: So, jetzt kann es weitergehen! Ich habe mich von dem Laserkühlen regeneriert und bin wieder aufnahmefähig für neue Sachen. Aber bitte nicht zu heftig, ich muss noch geschont werden!

Anja: Ich kann dich wirklich beruhigen: Unser nächster physikalischer Trip ist wunderbar anschaulich. Wie ich dir ja schon am Ende der Laserkühlung gesagt habe, reicht diese nicht aus, um die Atome auf 0 K abzukühlen. Die Grenze dieser Kühlmethode liegt bei 40*10-6 = 0,00004 K, aber wie wir wissen brauchen wir 300*10-9 K = 0,0000003 K, also drei Größenordnungen kleiner.  Das ist der Tausendste Teil davon.

Sara: Oh je, das ist ja noch eine ganz schöne Hürde. Da muss man sich wohl was Originelles einfallen lassen, oder?

Anja: Zu deiner Überraschung muss ich dir sagen, dass das Prinzip sehr einfach ist. Du kennst es aus dem Alltag, genauer jeden Morgen beim Kaffee trinken hast du damit zu tun.

Sara: Jetzt aber mal Schluss mit dieser Geheimnistuerei, ich will endlich wissen, was es damit auf sich hat. Du hast vielleicht ein Talent meine Neugierde zu wecken!

Anja: Ist ja schon gut, ich fang bereits an. In dieser Tasse mit heißem Kaffee befinden sich ja auch Millionen von Molekülen, die sich alle mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen. Die mittlere Geschwindigkeit ist hier sehr hoch, da der Kaffee ja sehr heiß ist; so, dass du ihn unmöglich trinken kannst. Was machst du also? Du wartest ab, bis er kälter wird. Weißt du denn, was während deiner Wartezeit passiert? Warum hilft es denn, dass du wartest?

Sara: Naja, er kühlt einfach ab, mehr weißtasse2 Kopie ich nicht. Er dampft nur ganz heftig dabei und wenn ich meine Hand über den dampfenden Kaffee halte, spüre ich, wie heiß dieser ist.

Anja: Du bist schon auf dem richtigen Weg: Auch dieser Dampf, der da entweicht, besteht aus Kaffeemolekülen, die sehr heiß sind und weil damit ihre Geschwindigkeit sehr viel höher ist, fliegen sie notgedrungen hinaus. Sie können ihre Bewegung letztendlich nicht mehr kontrollieren und verlassen somit die Tasse. Je öfter das passiert, desto mehr dieser heißen und energiereichen Teilchen verschwinden nach und nach. Man kann also sagen, dass der Kaffee deswegen kälter wird, weil die heißen Moleküle rausgeworfen werden. Hinzu kommt noch, dass die verbleibenden Moleküle durch Stöße in Wechselwirkung miteinander stehen und damit erreicht wird, dass sich mit der Zeit die auftretenden Geschwindigkeiten zu niedrigeren Werten verschieben.

Sara: Also, das Erste habe ich begriffen. Das ist ja wirklich nicht schwer. Aber wie ist das mit diesen Stößen, das ist mir noch nicht ganz klar.

Anja: Stell dir einfach ein Billardspiel vor. Hier geht es ja darum, dass eine rollende Kugel mehrere ruhende stößt. Nach diesem Stoß bewegen sich die vorher ruhenden Kugeln und die andere verliert an Geschwindigkeit. Man kann sagen, die Energie, die die rollende Kugel vorher allein hatte, wird nun auf alle verteilt, Reibungsverluste ausgeschlossen. Genauso ist es auch, wenn eine schnelle in eine Horde langsamer Kugeln hineinrollt. Wenn man das nun auf die Moleküle überträgt heißt das, dass die langsamen ein wenig schneller und die schnellen langsamer werden. Damit verschieben sich die möglichen auftretenden Geschwindigkeiten zu niedrigeren Werten, damit ist auch die Temperatur niedriger. Das wird nun immer wieder gemacht und durch diese beiden Effekte, Abdampfen der heißen Moleküle und die Stöße der übrigen kann man die Atome bis zu 300*10-9 K abkühlen – das, was wir erreichen wollten.

Sara: Das ist ja wirklich interessant: Man kann also sagen, die Atome werden insgesamt immer langsamer, weil die schnellsten entfernt und die mittelschnellen einen Teil ihrer Geschwindigkeit an die langsamen abgeben. Das wird nun so oft wiederholt, bis die Atome kalt genug sind.

Anja: Gut zusammengefasst! Ein gutes Bild für die herausfliegenden Atome ist auch eine Half Pipe als Falle, in der die Atome gefangen sind ( mehr dazu in ´´Ein Käfig für Atome´´ ), die Skater als Atome, die diese für ihre Kunststücke benützen. Haben die nämlich zu hohe Geschwindigkeiten, dann ist es möglich, dass sie rausfliegen, weil sie über den Rand hinausschießen. Je niedriger die Half Pipe ist, desto riskanter ist es. Das sieht man auch schon, wenn sie durch die Kurve sausen: Je höher ihre Geschwindigkeit in diesem Punkt ist, desto weiter nach oben steigen sie. Es hängt also ganz stark von der Höhe der Half Pipe ab, ab welcher Geschwindigkeit die Skater diese verlassen.

Sara: Ja, das kenne ich, das macht mein Bruder auch und meine Mutter kriegt die Krise bei diesem Hobby! Was mir aber noch nicht so klar ist, wie das denn im Experiment gemacht wird. Wie bringe ich denn diese Atome dazu, dass sie freiwillig rausfliegen?

Anja: So ganz freiwillig ist das auch nicht – eigentlich werden sie dazu gezwungen, sie können gar nicht anders. Man kann sich das so vorstellen: Die Half Pipe ist nun das Bild für die Falle und diehalf pipe mit atomen Kopiese wird immer wieder in ihrer Höhe reduziert: der obere Rand wird abgeschnitten, womit die schnellsten Atome entfernt werden, das heißt die, die diesen Punkt noch erreichen. Dann macht man das Gleiche bei der bereits verkürzten Half Pipe und sofort. Man muss natürlich irgendwann aufhören, sonst hat man am Ende kein einziges Atom mehr in der Falle!

Sara: Das leuchtet mir ein. Bei dieser Aktion verliert man überhaupt sehr viele Atome. Wie viele bleiben denn da noch übrig?

Anja: Ungefähr in der Größenordnung von 106 Atomen, das heißt, da man in der Falle ( MOT ) 109 Atome hatte, verliert man drei Größenordnungen. Was noch wichtig ist: Die Falle ist auch in dem Vakuum enthalten, das heißt die rausgeworfenen Atome sind noch im Vakuum, aber außerhalb der Falle.

Sara: Als Zusammenfassung kann man wohl sagen, dass wir jetzt einen ganzen Haufen von Atomen haben, die saukalt sind und sich kaum mehr bewegen, wie wenn sie schon ganz steif sind vor Kälte, was mich ja gar nicht wundert. Wer möchte da schon mit ihnen tauschen? Aber wenn das nun mal für die Bose – Einstein Kondensation wichtig ist, dann müssen die Atome da wohl durch.

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