Wolfgang Ketterle - Kälter als kalt: Forschung am absoluten Nullpunkt
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The first "Insights in Technology Conference" was in Schaffhausen on December 16, 2019. The event is organized by the Schaffhausen Institute of Technology SIT. Special guest is Nobel Prize winner Wolfgang Ketterle. Schaffhausen Institute of Technology website: http://sit.org
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Wolfgang Ketterle - Kälter als kalt: Forschung am absoluten Nullpunkt
- 1. Wolfgang Ketterle, Nobel Prize Laureate in Physics 2001, Professor at MIT Kälter als kalt: Forschung am absoluten Nullpunkt
- 2. Tiefe Temperaturen – ein Rezept für Entdeckungen
- 7. Phase transitions: properties of matter change dramatically when cooled below a specific temperature Water/Ice: 0 degrees Celsius, 273 Kelvin
- 8. Liquid oxygen -183°C Liquid nitrogen -196°C Phase transitions from liquid to solid Water freezes at 0°C Domestic freezer: -20°C Whisky: 80 Proof (vol. 40) freezing point of -26°C Dry Ice: -78°C Pure alcohol Methanol (-98°C), Ethanol (-114°C), Isopropanol (-89°C)
- 10. 4 Kelvin: helium gas becomes liquid 2.8 Kelvin: temperature of interstellar space (cosmic microwave background) 100 times colder than room temperature Millikelvin Microkelvin Nanokelvin: 10-9 Kelvin 100 billion times colder than room temperature
- 11. Die kälteste Materie im Universum Nanokelvin Atome und ein besonderer Phasenübergang: Bose-Einstein-Kondensation
- 12. Was machen Atome bei tiefen Temperaturen? Sie werden langsamer 1000 km/h (300 m/s) 1 mm/s
- 13. pressure = density times kinetic energy Lower temperature leads to lower pressure Demo
- 14. Was machen Atome bei tiefen Temperaturen? Sie werden langsamer 1000 km/h (300 m/s) 1 mm/s Sie marschieren im Gleichschritt
- 15. Molecule of the year Das Bose-Einstein Kondensat: Materie aus Materiewellen!
- 16. Molecule of the year Das Bose-Einstein Kondensat: Materie aus Materiewellen!
- 17. Photonen / Atome bewegen sich in alle Richtungen Photonen / Atome sind eine einzige Welle LaserlichtNormales Licht
- 18. Kühlmethoden • Laserkühlung • Verdampfungskühlung •Atomfallen • Magnetische Fallen • Optische Fallen Wie bekommt man sehr kalte Atomwolken?
- 23. Ultrahoch-Vakuum-Kammer – der weltbeste Thermos-Behälter Kasten aus elektrischen und/oder magnetischen Feldern Eine Million Nanokelvin Atome
- 25. Wie mißt man Temperatur? Kinetische Energie mv2/2 = kBT/2 v=Radius/Flugzeit
- 26. Der Schatten einer Atomwolke für immer tiefere Temperaturen (Ballistische Expansion mit einer vorgegebenen Flugzeit) Temperatur hängt linear von der Radiofrequenz ab, die die Verdampfung steuert
- 27. Der Schatten einer Atomwolke für immer tiefere Temperaturen (Ballistische Expansion mit einer vorgegebenen Flugzeit) Temperatur hängt linear von der Radiofrequenz ab, die die Verdampfung steuert
- 28. Wie weist man nach, daß alle Atome im Gleichschritt marschieren? Atome sind eine Welle Atome sind kohärent
- 29. Ein Farbbeutel auf einer weißen Wand Zwei Farbe zeigt keine Welleneigenschaften
- 30. Ein Laserstrahl auf einer weißen Wand Licht zeigt Welleneigenschaften
- 31. Ein Laserstrahl auf einer weißen Wand Zwei Licht zeigt Welleneigenschaften Streifenmuster: hell - dunkel - hell - dunkel
- 32. Two condensates ... 50 m
- 33. Interferenz von zwei Bose-Einstein-Kondensaten Andrews, Townsend, Miesner, Durfee, Kurn, Ketterle, Science 275, 589 (1997) rel dB mv h TOF rel t d v
- 34. Interferenz von Atomen Materie-Wellen-Interferenz … als Präzisionsmessung: Atom-Interferometrie Messung von Beschleunigungen • g: Erdbeschleunigung • G: Gravitations-Konstante • Photonen-Rückstoß: Bestimmung der Feinstruktur-Konstante • Navigation ohne GPS
- 35. Superconductivity = electrons march in lockstep This can create a current which flows without dissipation (no power supply, no battery) This current creates a magnetic field
- 36. Demonstration: eddy currents– currents in copper which create a magnetic field Demo
- 37. Demonstration: eddy currents– currents in copper which create a magnetic field Superconductor
- 38. Demonstration: a piece of (copper oxide) ceramic is cooled down there is a phase transition at the phase transition, electrons can march in lockstep (they pair up and form a macroscopic quantum state) this superconducting current has no dissipation (no electrical resistance) and is therefore persistent it creates a magnetic field, and the magnet floats Demo
- 39. This can be explained by Faraday’s law of induction and dissipationless currents. But there is more! Now: cool down
- 40. This can be explained by Faraday’s law of induction and dissipationless currents. But there is more! At the phase transition, the superconducting material becomes an extreme diamagnetic material, which expels all magnetic fields by generating the opposite magnetic field Meissner effect But there is more! Demo
- 41. Meissner effect
- 42. Meissner effect Flux penetration and pinning Type II superconductors at high magnetic fields Type I superconductors Type II superconductors at low magnetic fields
- 43. “Our” superconductor: Yttrium barium copper oxide (YBCO), type II superconductor Tc around 90 K (-183°C) So far: Polycrystalline form with small grains Low critical current. Meissner effect dominates over flux pinning. (However, due to saturated current, flux is not completely expelled). Now: Single domain (single crystal): high critical current. Flux penetration Flux pinning enhanced with impurities (e.g. silver). Demo
- 44. Flux pinning and hysteresis Flux pinning provides lateral forces Forces are attractive and repulsive: Magnetic suspension effect Magnetic bearing We have seen: Persistent currents Phase transition to diamagnetic material (Meissner effect)
- 45. Moderne Materialien verändern die Welt Ein neues Material! • Sehr kalt • Materie aus Wellen • Superfluid
- 46. Unser Zugang: Atomare Legos Kühle Atome bis nahe zum absoluten Nullpunkt: Nanokelvin, bring sie zum Stillstand Füge sie zusammen, so daß sie sich wie wichtige Materialien verhalten Untersuchung von Materialien auf einem grundlegenden Niveau Quanten-Simulator: ein Quantenrechner für spezielle Zwecke
- 47. Ultrahoch-Vakuum-Kammer – der weltbeste Thermos-Behälter Kasten aus elektrischen und/oder magnetischen Feldern Eine Million Nanokelvin Atome
- 48. Laserstrahlen Radiofrequenz- und Mikrowellen Eine Million Nanokelvin Atome Kasten aus elektrischen und/oder magnetischen Feldern Ultrahoch-Vakuum-Kammer
- 49. Quartz crystal
- 50. Kochsalz NaCl
- 51. Wie realisiert man periodische Potentiale für Atome? (Gitterphysik, Isolator, Metall, Bandstruktur etc.)
- 52. Zwei Laser-Strahlen bilden eine Stehwelle
- 56. Tunneling: Atoms go through the “walls” of the egg carton
- 57. Tunneling: Atoms go through the “walls” of the egg carton
- 58. Atoms tunnel coherently – they behave as one quantum wave
- 59. MPQ, Garching Quantenphasenübergang von einer Supraflüssigkeit zu einem Isolator
- 60. Suprasolidität – eine neue Form der Materie … es ist ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Festkörper ... … alles gleichzeitig ...
- 62. Untersuchung von Materialeigenschaften an einem Modell, das 1000x vergrößert ist (Atomabstand is Mikrometer anstelle Nanometer) Probiere (und verstehe) welche Materialien und Phänomene in der Natur möglich sind! Nutze Quantenmechanik für neue Anwendungen Quantentechnologien Auf der Suche nach neuen Materialien
- 64. J. Appl. Phys. 63, 447 (1987)
- 65. Much smaller hysteresis for samples with small grains
- 66. Ampere’s law for parallel magnetic fields: surface current sheet causes difference between external and internal B field Max delta-B: critical current density times grain size (assuming saturation in currents)