Optische Kühlung

Lara_mag_Chemie · Anmeldungsdatum: 17.09.2011 Beiträge: 9

Hallo

im Demtröder 3 steht:

"Der wichtige Punkt ist, daß wegen der geringen Dichte der Gasatome das Medium bei der Abkühlung nicht in die feste Phase übergeht, sondern gasförmig bleibt, obwohl seine Temperatur weit unter die Schmelztemperatur absinkt."

1.)
Wird bei optischer Kühlung das zu kühlende Medium immmer erst in die Gasphase gebracht?

2.)
Obiges Zitat verstehe ich nicht. Wieso hat man "wegen der geringen Dichte der Gasatome" keinen Phasenübergang?

3.)
Weiter im Buch erklärt er dann wie optische Kühlung funktioniert. Ist dies wirklich ein zwei-Niveau System, wie ich es in den QM-Vorlesungen gehört habe? Da gibt es keine energetischen Stufen dazwischen mehr? Das eingestrahlte Laserlicht hat also genau eine Resonanzfrequenz für das Medium, nimmt Energie auf und fällt dann direkt wieder in den Grundzustand?

4.)
Er schreibt auch, dass die aufgenommene Energie durch Fluoreszenz abgegeben wird. Dies ist nicht das Selbe wie Emission. Wieso fluoresziert das System, anstatt Emission?

Danke
Grüsse

Lara_mag_Chemie · Anmeldungsdatum: 17.09.2011 Beiträge: 9

niemand?

Chillosaurus · Anmeldungsdatum: 07.08.2010 Beiträge: 2440

dermarkus · Administrator Anmeldungsdatum: 12.01.2006 Beiträge: 14788

1) einverstanden, normalerweise ja.

(bei "immer"-Aussagen ist man in der Physik vielleicht gerne mal vorsichtig, ich will jetzt nicht ausschließen, dass es vielleicht irgendwelche Excitonen an Oberflächen von Festkörpern geben könnte, die man nicht auch irgendwie optisch kühlen könnte oder so ...)

2) vielleicht hilft da die Vorstellung, dass die Gasatome bei solch kalten Temperaturen immer gerne in den festen Zustand übergehen möchten, aber dass das seine Zeit braucht. Je geringer die Dichte des Gases, um so seltener begegnen sich die Atome dabei so, dass sie als Molekül zusammenbleiben können (dazu müssen sich drei Atome begegnen, zwei, die das Molekül bilden und eins, das den überschüssigen Impuls und die überschüssige Energie abführt, und so ein Dreikörperstoß ist in einem Gas geringer Dichte extrem selten) oder sich danach dann gar noch weiter anfangen können, zu einem Festkörper-Kristallgitter zusammenzulagern.

Da profitiert man also einfach davon, dass die Gasatome dermaßen lange für den Übergang in die feste Phase brauchen, dass man bis dahin schon längst mit dem Experiment, das man mit den gekühlten Atomen machen wollte, fertig ist. smile

3) Ja, stelle dir dafür das Atom einfach erst mal als ein Zwei-Niveau-Atom vor, das reicht für diese Zwecke aus.

Ein anschauliches Bild für die insgesamte Funktionsweise der optischen Kühlung ist zum Beispiel so etwas:

Man straht auf ein Gas von Atomen von allen Seiten rotverstimmtes Laserlicht ein. Also eigentlich immer ein bisschen zuwenig Energie pro Photon, im Vergleich zum Energieabstand im Atom. Dann sind diejenigen Atome wegen Dopplereffekt resonant zum eingestrahlten Licht, die dem jeweiligen Lichtstrahl entgegenfliegen. Rotverstimmtes Licht hat weniger Energie als resonantes, also wird das Atom beim Absorbieren eines solchen rotverstimmten Photons sozusagen ein bisschen unterernährt.

4) Wenn das Atom dann wieder aufs untere Niveau zurückfällt und dabei wieder ein Photon ausspuckt (emittiert), dann ist das ein Emissionsvorgang der ganz normalen Sorte, also hat das ausgespuckte Photon dabei einfach genau die Energie des Niveauabstandes im Atom und fliegt in irgendeine beliebige Richtung.

Also hat das Atom insgesamt mehr Energie ausgespuckt als geschluckt, und damit insgesamt Energie verloren, deshalb ist nun seine kinetische Energie kleiner geworden - das Gas wird optisch gekühlt. (Als Fachbegriff dafür kennst du vielleicht das Wort Melassekühlung, da werden die Atome in einer Melasse von Licht abgebremst, wie schnelle Kügelchen in einem Honigglas, egal in welche Richtung sie gerade fliegen.)

Lara_mag_Chemie · Anmeldungsdatum: 17.09.2011 Beiträge: 9

Vielen Dank dermarkus

Das hat mir sehr geholfen smile