DE102014227052A1 - Dampfzelle und Verwendung von Graphen in einer Dampfzelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dampfzelle sowie eine Verwendung von Graphen in einer Dampfzelle. Dabei weist die Dampfzelle auf: – ein Behältnis mit einer Dampfzellenkammer (6), wobei die Dampfzellenkammer (6) ausgelegt ist, ein Dampfzellengas aufzubewahren; und – eine oder mehrere Elektroden (10, 14), welche in dem Behältnis angeordnet und ausgelegt sind, um ein elektrisches Feld und/oder elektrische Feldgradienten in der Dampfzellenkammer (6) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Elektroden (10, 14) aus Graphen gebildet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Dampfzelle, insbesondere eine Dampfzelle mit einstellbarem elektrischen Feld im Inneren der Dampfzelle, sowie eine Verwendung von Graphen in einer Dampfzelle.
• Eine Vielzahl von kommerziellen Anwendungen im Bereich der Atomphysik basieren auf die Verwendung atomarer Gase. Dazu ist es erforderlich, die atomaren Gase in sogenannten Dampfzellen aufzubewahren, um diverse Messungen an den atomaren Gasen vorzunehmen. Als Beispiele von auf atomaren Gasen bzw. Dampfzellen basierenden Anwendungen können genannt werden: Die subwellenlängen-Bildgebung bei Radiofrequenz, die Mikrowellen Elektrometrie, die Ferndetektion für eine Magnetresonanz-Bildgebung, biomedizinische Analysen, die Überwachung von Hirnaktivität mit kompakten und kostengünstigen Geräten, oder die ultra-sensitive Magnetometrie. Zudem werden Dampfzellen auch als Resonatorelemente in Atomuhren verwendet, indem sie ein Zeitnormal zur Verfügung stellen, das von einem Hyperfeinstrukturübergang von gasförmigen Alkalimetallen wie Cäsium oder Rubidium geliefert wird. Solche Atomuhren werden mittlerweile auch für GPS(global positioning systems)-Anwendungen zum Synchronisieren kritischer Internetaktivitäten, in Rundfunkstationen zum Liefern einer sehr genauen Trägerfrequenz und in der Radioastronomie eingesetzt.
• All diese Techniken beruhen auf Dampfzellen, die transparent, d.h. optisch zugänglich, und inert gegenüber ein in einer Dampfzellenkammer der Dampfzellen eingeschlossenem Gas, im Folgenden auch als Dampfzellengas oder Füllgas bezeichnet, sind.
• Um die Anwendbarkeit der vorgenannten Vorrichtungen sowie deren Empfindlichkeit zu verbessern, ist es äußerst wünschenswert, verschiedene Eigenschaften oder Parameter des Dampfzellengases einstellen zu können.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Dampfzelle, insbesondere eine einstellbare Dampfzelle, bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Ein erster unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Dampfzelle, aufweisend:
• – ein Behältnis mit einer Dampfzellenkammer, wobei die Dampfzellenkammer ausgelegt ist, ein Dampfzellengas aufzubewahren; und
• – eine oder mehrere Elektroden, welche in dem Behältnis angeordnet und ausgelegt sind, um ein elektrisches Feld und/oder elektrische Feldgradienten in der Dampfzellenkammer zu erzeugen, wobei die eine oder mehreren Elektroden aus Graphen gebildet sind.
• Unter dem Begriff „Dampfzellenkammer“ wird im Sinne dieser Beschreibung ein Hohlraum, d.h. ein umschlossener hohler Raum innerhalb bzw. im Innern des Behältnisses verstanden. Anstelle von „Dampfzellenkammer“ kann also auch der Begriff „Hohlraum“ verwendet werden.
• Unter dem Begriff „Dampfzellengas“ oder „Füllgas“ wird im Sinne dieser Beschreibung ein Gas, beispielsweise ein atomares oder molekulares Gas zum Befüllen der Dampfzelle, d.h. zum Befüllen des Behältnisses bzw. der Dampfzellenkammer verstanden. Das Dampfzellengas kann auch ein Gasgemisch umfassen. Beispielsweise kann das Dampfzellengas Rb, Cs, Na, Sr, Ar, N₂, He, Gd, LiH, CsH, NO, usw. aufweisen. Vorzugsweise enthält das Dampfzellengas Atome oder Moleküle, welche durch Laser in Rydbergzustände angeregt werden können bzw. welche im angeregten Zustand Rydbergzustände einnehmen können.
• Das Behältnis bzw. der Behälter kann z.B. die Form eines Hohlquaders, Hohlzylinders oder einer Hohlkugel aufweisen. Es versteht sich, dass das Behältnis auch eine beliebige andere Form aufweisen kann. Das Behältnis kann einstückig ausgebildet sein oder auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt, insbesondere zusammengeschmolzen oder zusammengeklebt, sein. Beispielsweise kann das Behältnis ein Bodenelement, ein Zwischenelement und ein Deckelelement aufweisen. Dabei kann die Dampfzellenkammer bzw. der Hohlraum der Dampfzelle in dem Zwischenelement ausgebildet sein bzw. durch das Zwischenelement definiert sein. Die zumindest eine Elektrode kann in dem Bodenelement und/oder Deckelement ausgebildet sein.
• Das Bodenelement kann z.B. ein Substrat, insbesondere ein Glassubstrat, umfassen bzw. ein solches sein. Entsprechend kann das Deckelelement ein Substrat, insbesondere ein Glassubstrat, umfassen bzw. ein solches sein. Das Bodenelement kann mit einer oder mehreren Elektroden, insbesondere an einer Innenseite oder Innenwand des Bodenelements, d.h. einer der Dampfzellenkammer zugewandten Seite bzw. Fläche des Bodenelements, beschichtet sein. Entsprechend kann auch das Deckelement ein Substrat, insbesondere ein Glassubstrat, umfassen, welches mit einer oder mehreren Elektroden, insbesondere an einer Innenseite oder Innenwand des Deckelelements, d.h. einer der Dampfzellenkammer zugewandten Seite bzw. Fläche des Deckelements, beschichtet ist. Beispielsweise können die Elektroden mittels herkömmlichen Lithographieverfahren auf das Bodenelement bzw. Deckelelement aufgebracht bzw. strukturiert sein.
• Das Zwischenelement kann einen Rahmen, insbesondere einen Glasrahmen, aufweisen. Das Zwischenelement bzw. der Rahmen kann die Dampfzellenkammer bzw. den Hohlraum der Dampfzelle definieren bzw. ausbilden.
• Vorzugsweise ist die Dampfzellenkammer ausgelegt, das Dampfzellengas aufzunehmen. Zur Aufnahme des Dampfzellengases kann das Zwischenelement z.B. einen Gaseinlass, insbesondere ein Ansatzrohr, aufweisen. Dieses Ansatzrohr ist vorzugsweise aus Glas gebildet, damit es nach dem Befüllen der Dampfzellenkammer mit dem Dampfzellengas abgeschmolzen und somit die Dampfzellenkammer luftdicht bzw. fluiddicht verschlossen werden kann.
• In dem Behältnis können eine oder mehrere, insbesondere zwei, drei, vier, fünf usw. Elektroden angeordnet sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass nur eine Elektrode in dem Behältnis bzw. in der Dampfzelle angeordnet ist, während eine oder mehrere andere Elektroden außerhalb des Behältnisses bzw. der Dampfzelle angeordnet sind. Vorzugsweise weist die Dampfzelle zwei oder mehrere Elektroden auf, welche in dem Behältnis angeordnet sind. Die Elektroden sind derart angeordnet und ausgelegt, dass mittels der Elektroden ein elektrisches Feld und/oder ein elektrischer Feldgradient bzw. elektrische Feldgradienten in der Dampfzellenkammer erzeugt werden können. Größe und Form der elektrischen Felder bzw. der Feldgradienten hängen von dem jeweiligen Design der Dampfzelle bzw. der jeweiligen Anwendung ab.
• Die Elektroden können mit einer oder mehreren Energiequellen bzw. Spannungsquellen verbunden werden, so dass durch Anlegen von Spannungen bzw. Potentialen an die Elektroden ein elektrisches Feld und/oder elektrische Feldgradienten erzeugt werden können. Das mit Hilfe der Elektroden erzeugbare bzw. erzeugte elektrische Feld ist vorzugsweise variabel einstellbar.
• Vorteilhafterweise können mit Hilfe der Elektroden ein elektrisches Feld und/oder elektrische Feldgradienten im Inneren des Behältnisses bzw. in der Dampfzellenkammer derart erzeugt werden, dass damit verschiedene Eigenschaften und/oder Parameter des Dampfzellengases, wie z.B. die Atomzustandsenergie oder die Polarisation des Dampfzellengases, variiert bzw. eingestellt werden können. Mit anderen Worten können Eigenschaften und/oder Parameter des Dampfzellengases mit Hilfe der Elektroden bzw. mit Hilfe des durch die Elektroden erzeugbaren bzw. erzeugten elektrischen Feldes im Inneren der Dampfzelle bzw. des Behältnisses eingestellt werden. Mit dem Begriff „Einstellen“ ist im Sinne dieser Beschreibung auch ein Variieren, Abstimmen, Anpassen, Steuern und/oder Kontrollieren hinsichtlich des sich in der Dampfzelle befindenden Gases zu verstehen. Die erfindungsgemäße Dampfzelle kann somit hinsichtlich des sich in der Dampfzelle befindenden Gases auch als eine variierbare, einstellbare, abstimmbare, anpassbare, steuerbare oder kontrollierbare Dampfzelle bezeichnet werden.
• Um ein effektives Einstellen der Dampfzelle bzw. des Dampfzellengases mit Hilfe eines elektrischen Feldes zu erreichen, hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, dass es erforderlich ist, die Elektroden im Inneren der Dampfzelle, d.h. in dem Behältnis der Dampfzelle, und insbesondere in direktem Kontakt mit dem Dampfzellengas, anzuordnen. Des Weiteren hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass es deshalb hinsichtlich der Elektroden eine Reihe von Problemen gibt, die mit herkömmlichen Elektroden, beispielsweise Elektroden aus Gold, Aluminium, Chrom oder Nickel, nicht gelöst werden können:
  Ein erstes Problem stellt die chemische Reaktivität des Elektrodenmaterials mit dem Dampfzellengas unter den für den Betrieb der Dampfzelle erforderlichen Bedingungen dar. Die wenigen bekannten Materialien, welche transparent und zugleich leitfähig sind, wie beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO), weisen eine starke Wechselwirkung mit den Gasen der Dampfzelle auf, so dass diese als Elektroden nicht verwendet werden können. Einige Metalle wechselwirken mit dem Dampfzellengas derart, dass die aus solchen Metallen hergestellten Elektroden zerstört werden. Beispielsweise bildet Gold eine Legierung mit Rubidium, so dass Gold-Schichten in kleine, separate Tröpfchen zerbrechen, wodurch die aus einer dünnen Goldschicht gebildeten Elektroden vollständig zerstört werden. Nur wenige Metalle wurden bisher hinsichtlich ihrer chemischen Eigenschaften als geeignete Kandidaten für die Herstellung von Elektroden in Dampfzellen identifiziert. Dazu gehören Nickel, Aluminium und Chrom.
• Ein zweites Problem liegt in der notwendigen Transparenz der Elektroden. Für eine stabile, homogene und leitende Elektrode muss die Elektrode eine Schichtdicke von mindestens 5 nm aufweisen. Eine Metallschicht mit einer Dicke von weniger als 5 nm ist z.B. nicht stabil genug, um den Bedingungen bei einem anodischen Bonden, welches bei der Herstellung von Dampfzellen zur Abdichtung bzw. Versiegelung der Dampfzellen eingesetzt wird, standzuhalten. Alle Metalle mit einer Schichtdicke von mindestens 5 nm sind jedoch im sichtbaren Spektralbereich nicht ausreichend transparent, um das Dampfzellengas z.B. mit Hilfe von Lasern optisch zu vermessen. Beispielsweise absorbieren Metalle im ultraviolett-sichtbaren Spektralbereich mindestens 25% des einfallenden Lichts. Eine Elektrode aus Metall ist somit lediglich semi-transparent. Die von den Elektroden bewirkte Absorption von Laserlicht, welches zur Anregung der in der Dampfzelle enthaltenen Gasatome verwendet wird, ist somit ein großes Problem und verhindert insbesondere das Erreichen der gewünschten Empfindlichkeit von elektrisch einstellbaren Dampfzellen.
• Schließlich hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgestellt, dass ein drittes Problem darin besteht, dass die elektrischen Felder, welche mit Metallelektroden für Dampfzellen erzeugt werden, äußerst inhomogen sind. Diese inhomogenen Felder bewirken eine unerwünschte Verbreiterung oder eine Mehrfach-Aufspaltung der Spektrallinien der Gase, was den Einsatz solcher Dampfzellen für die meisten Anwendungen unmöglich macht.
• Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, ist die eine Elektrode oder sind die mehreren Elektroden der erfindungsgemäßen Dampfzelle aus Graphen gebildet. Mit anderen Worten besteht die eine Elektrode oder bestehen die mehreren Elektroden aus Graphen. Vorzugsweise bestehen alle Elektroden aus Graphen.
• Graphen ist ein Material, welches sich aus einer Monoschicht von Kohlenstoffatomen zusammensetzt, die in einer Wabenstruktur bzw. einem Wabengitter angeordnet sind. Graphen ist somit eine Modifikation des Kohlenstoffs mit einer zweidimensionalen Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom im Winkel von 120° von drei weiteren Kohlenstoffatomen umgeben ist, so dass sich ein bienenwabenförmiges Muster ausbildet. Die Atome von Graphen haben eine sp3-Hybridisierung, was zu der Anwesenheit eines Leitungsbands führt. Graphen weist daher eine außerordentlich hohe elektrische Mobilität und eine sehr gute Leitfähigkeit auf, selbst bei Einzelatom-Schichten, d.h. bei Schichten mit nur einer atomaren Dicke. Ferner zeichnet sich Graphen durch seine außergewöhnlich gute chemische Stabilität und eine sehr hohe Transparenz aus. So absorbiert eine Graphenschicht nur 2% von einfallendem Licht, welches einen elektromagnetischen Spektralbereich vom Ultravioletten bis in den THz-Bereich aufweist.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung von Graphen als Elektrodenmaterial sämtliche Probleme bzw. Nachteile, die mit herkömmlichen Elektroden, beispielsweise Elektroden aus ITO oder aus Metallen wie Nickel, Aluminium oder Gold, verbunden sind, gelöst werden können.
• Insbesondere hat sich gezeigt, dass Graphen unter Einwirkung des Dampfzellengases und während des Betriebes der Dampfzelle seine hohe Transparenz beibehält. So werden auch im Dauerbetrieb der Dampfzelle nur ca. 2% des einfallenden Lichts pro Graphenschicht absorbiert. Die Dampfzelle ist und bleibt somit vorteilhafterweise für Messungen optisch zugänglich.
• Auch hat sich gezeigt, dass Graphen nicht in unerwünschter Weise mit dem Dampfzellengas reagiert. Zwar wurde eine anfängliche Dotierung der Graphenschicht in Folge einer Adsorption von Dampfatomen festgestellt, dies verringertjedoch die Leitfähigkeit der Graphen-Elektroden nicht. Vielmehr kann dadurch die Leitfähigkeit sogar noch erhöht werden und somit einen weiteren Vorteil darstellen.
• Des Weiteren wurde überraschenderweise festgestellt, dass mit Hilfe von Graphen-Elektroden im Vergleich zu herkömmlichen Elektroden in Dampfzellen äußerst homogene elektrische Felder erzeugt werden können. Diese Eigenschaft macht den Einsatz von Dampfzellen, welche mittels Elektroden elektrisch einstellbar sind, für viele Anwendungen erst möglich.
• Durch die Verwendung von Graphen bzw. durch die Verwendung von Graphen-Elektroden ist es somit vorteilhafterweise möglich, eine Dampfzelle bereitzustellen, in der das Dampfzellengas bzw. dessen Eigenschaften und/oder dessen Parameter durch Anlegen eines elektrischen Feldes manipuliert, kontrolliert und/oder eingestellt werden kann bzw. können. Die erfindungsgemäßen Dampfzellen sind zudem kostengünstig in der Herstellung und können mit herkömmlichen industriellen Verfahren produziert werden. Die erfindungsgemäßen Dampfzellen eröffnen eine große Bandbreite verschiedenster Anwendungen, beispielsweise auf dem Gebiet der Biosensorik, der Hirnforschung, der Atomuhren, der Elektrometrie, des Rundfunks und der Radioastronomie.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfzelle ist das Behältnis im montierten Zustand luftdicht bzw. luftdicht verschlossen. Vorzugsweise ist das Behältnis im montierten Zustand auch fluiddicht bzw. fluiddicht verschlossen. Insbesondere ist das Behältnis im montierten Zustand vakuumdicht bzw. vakuumdicht verschlossen.
• Mit dem Ausdruck „montierter Zustand“ wird im Sinne dieser Beschreibung ein betriebsfertiger oder einsatzbereiter Zustand der Dampfzelle verstanden, d.h. ein Zustand, in dem die Dampfzelle fertig montiert bzw. zusammengesetzt ist.
• Die Begriffe „luftdicht“, „fluiddicht" oder „vakuumdicht“ bedeuten, dass im Wesentlichen keine Atome oder Moleküle, insbesondere kein Gas (luftdicht) bzw. Fluid (fluiddicht) von aussen in das Innere bzw. in den Innenraum der Dampfzelle bzw. in die Dampfzellenkammer gelangen oder eindringen können und dass ein sich in dem Behältnis bzw. in der Dampfzellenkammer befindendes Dampfzellengas das Behältnis bzw. die Dampfzellenkammer im Wesentlichen nicht verlassen kann, d.h. nicht in das Äußere des Behältnisses bzw. der Dampfzelle gelangen oder entweichen kann. Beispielsweise weist das Behältnis im montierten Zustand eine maximale Leckrate von etwa zwischen 10^–10 mbar l/s bis etwa 10^–12 mbar l/s auf. Vorzugsweise beträgt die maximale Leckrate etwa 10^–10 mbar l/s besonders bevorzugt etwa 10^–12 mbar l/s.
• Insbesondere ist das Behältnis derart ausgelegt, dass die Dampfzellenkammer evakuiert werden kann bzw. dass in der Dampfzellenkammer ein Vakuum erzeugt werden kann. Insbesondere herrscht im montierten Zustand in der Dampfzelle bzw. in der Dampfzellenkammer ein Druck, der unterhalb des Dampfdrucks des Dampfzellengases bei Raumtemperatur liegt. Beispielsweise kann die Dampfzellenkammer auf einen Druck von ≤ 5·10^–6 mbar evakuiert werden, um den Dampfdruck von Rubidium bei Raumtemperatur zu unterschreiten.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfzelle ist das Behältnis zumindest bereichsweise transparent, d.h. optisch zugänglich. Mit „transparent“ oder „optisch zugänglich“ ist im Sinne dieser Beschreibung zu verstehen, dass das Behältnis einen Laserstrahl, beispielsweise zum Anregen der Atome bzw. Moleküle des Dampfzellengases bzw. zur Durchführung von Absorptions- oder Transmissionsmessungen, im Wesentlichen transmittieren lässt. Beispielsweise kann ein solcher Laserstrahl bzw. können solche Laserstrahlen bei Rubidium als Dampfzellengas eine Wellenlänge von etwa 474 nm oder 795 nm aufweisen. Es versteht sich, dass aber auch Laserstrahlen mit anderen Wellenlängen verwendet werden können. Vorzugsweise ist das Behältnis zumindest teilweise oder zumindest bereichsweise aus Glas gebildet. Unter „zumindest bereichsweise“ ist im Sinne dieser Beschreibung zu verstehen, dass entweder das gesamte Behältnis transparent bzw. aus Glas gebildet sein kann, oder aber dass nur Teile, Bereiche und/oder Abschnitte des Behältnisses transparent bzw. aus Glas gebildet sein können.
• Mit einem zumindest bereichsweisen transparenten Behältnis wird erreicht, dass Atome des Dampfzellengases von aussen mit Hilfe einer Lichtquelle optisch angeregt werden können. Beispielsweise ermöglicht ein zumindest bereichsweises transparentes Behältnis das Durchführen von Absorptions- oder Transmissionsmessungen oder von elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT) Messungen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfzelle ist das Behältnis bzw. die Dampfzellenkammer, insbesondere im montierten Zustand der Dampfzelle, mit einem Dampfzellengas befüllt.
• Vorzugsweise weist das Dampfzellengas Atome, Moleküle und/oder Gasgemische auf.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfzelle weist das Dampfzellengas Alkalimetallatome bzw. -moleküle auf. Vorzugsweise weist das Dampfzellengas Rubidium- und/oder Cäsiumatome bzw. -moleküle auf. Insbesondere weist das Dampfzellengas ein Gemisch umfassend Rubidium- und/oder Cäsiumatome bzw. -moleküle auf.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfzelle sind die eine oder mehreren Elektroden derart angeordnet, dass das Dampfzellengas durch das mit Hilfe der einen oder mehreren Elektroden erzeugbare bzw. erzeugte elektrische Feld im Wesentlichen vollständig durchsetzt wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Eigenschaften oder Parameter des Dampfzellengases in der gesamten Dampfzellenkammer eingestellt werden können. Beispielsweise weist die Dampfzelle eine gerade Anzahl von Elektroden auf, wobei jeweils zwei Elektroden gegenüberliegend angeordnet sind. Vorzugsweise sind jeweils die zwei gegenüberliegenden Elektroden derart angeordnet, dass sich zumindest ein Teil der Dampfzellenkammer und somit zumindest ein Teil des Dampfzellengases zwischen den zwei gegenüberliegenden Elektroden befindet. Beispielsweise kann die Dampfzelle zwei Elektroden aufweisen, welche in dem Behältnis gegenüberliegend angeordnet sind. Vorzugsweise sind diese zwei gegenüberliegenden Elektroden derart angeordnet, dass sich die Dampfzellenkammer und somit das Dampfzellengas zwischen den zwei gegenüberliegenden Elektroden befindet.
• Die Dampfzellenkammer kann ein Volumen zwischen 1 nm³ und 1 km³ aufweisen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dampfzelle weist die Dampfzellenkammer ein Volumen zwischen 1 µm³ und 1 m³ auf. Insbesondere kann die Dampfzellenkammer ein Volumen zwischen 1 mm³ und 5 cm³ aufweisen.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Dampfzelle ferner eine oder mehrere elektrische Zuleitungen auf, welche die eine oder mehreren Elektroden elektrisch kontaktieren und sich in das Äußere des Behältnisses erstrecken. Die Zuleitungen dienen zum Anschließen bzw. elektrischen Verbinden der Elektroden mit einer oder mehreren Energiequellen bzw. Stromquellen oder Spannungsquellen, welche außerhalb der Dampfzelle bzw. des Behältnisses angeordnet ist bzw. sind.
• Ein weiterer unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft die Verwendung von Graphen als Elektrode in einer Dampfzelle. Insbesondere kann Graphen als Material für eine oder mehrere Elektroden einer Dampfzelle verwendet werden.
• Vorzugsweise werden eine oder mehrere Elektroden der Dampfzelle aus Graphen gebildet.
• Vorzugsweise wird Graphen und/oder werden eine oder mehreren Elektroden aus Graphen zur Einstellung bzw. zur elektrischen Steuerung einer Dampfzelle, d.h. zum Einstellen von Eigenschaften und/oder Parametern eines Dampfzellengases der Dampfzelle verwendet.
• Für die oben genannten weiteren unabhängigen Aspekte und insbesondere für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen des ersten Aspekts.
• Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereit stellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann, und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt eine schematische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Dampfzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 2 zeigt ein beispielhaftes Anregungsschema für Rydbergatome in einem thermischen Gas;
• 3 zeigt Transmissionsspektren eines sich in einer Dampfzelle befindenden Rubidium Gases in Abhängigkeit der Verstimmung Δ eines Kopplungslasers für verschiedene mittels Elektroden in der Dampfzelle angelegte elektrische Felder, wobei sich das linke Diagramm a) auf eine erfindungsgemäße Dampfzelle mit Graphen-Elektroden und das rechte Diagramm b) auf eine Dampfzelle mit herkömmlichen Chrom-Elektroden bezieht.
• Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
• Die 1 zeigt eine schematische Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Dampfzelle 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Dampfzelle 100 weist ein Behältnis auf, welches ein Bodenelement 2, ein Zwischenelement 4 und ein Deckelelement 8 umfasst. Das Zwischenelement 4 ist hohlförmig ausgebildet und definiert eine Dampfzellenkammer bzw. einen Hohlraum 6 des Behältnisses bzw. der Dampfzelle 100.
• Das Behältnis ist zumindest bereichsweise transparent ausgebildet.Dazu kann das Bodenelement 2, das Zwischenelement 4 und/oder das Deckelelement 8, aus einem transparenten Material, z.B. Glas gefertigt sein. Beispielsweise sind sämtliche Elemente des Behältnisses aus einem transparenten Material gebildet. Es ist aber auch möglich, dass nur eines oder zwei der Elemente des Behältnisses aus einem transparenten Material gebildet ist bzw. sind. Beispielsweise kann nur das Bodenelement 2 und das Zwischenelement 4, oder nur das Zwischenelement 4 und das Deckelelemt 8, oder nur das Bodenelement 4 oder nur das Zwischenelement 8 oder nur das Deckelelement 8 aus einem transparenten Material gebildet sein. Mittels eines Gaseinlasses 5 kann die Dampfzellenkammer 6 mit einem Dampfzellengas wie z.B. Rubidium oder Cäsium befüllt werden. Der Gaseinlass 5 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Glasrohr ausgebildet, welches nach dem Befüllen der Dampfzellenkammer 6 mit dem Dampfzellengas zum luft- bzw. -vakuumdichten Verschließen abgeschmolzen wird. Vor dem Befüllen mit dem Dampfzellengas wird die Dampfzellenkammer 6 auf einen Druck evakuiert, der kleiner als der Dampfdruck des Dampfzellengases bei Raumtemperatur ist.
• Im montierten, d.h. im betriebs- oder einsatzfähgien Zustand sind das Bodenelement 2, das Zwischenelement 4 und das Deckelement 8 derart zusammengefügt, insbesondere geklebt oder verschmolzen, dass die Dampfzelle 100 bzw. die Dampfzellenkammer 6 luftdicht, fluiddicht bzw. vakuumdicht verschlossen ist. Das Verschließen bzw. Abdichten der Dampfzelle kann z.B. mittels eines Glas-zu-Glas anodischen Bondens erfolgen. Es versteht sich, dass aber auch andere Verfahren verwendet werden können.
• Die Dampfzelle 100 bzw. das Behältnis weist zwei gegenüberliegend angeordnete Graphen-Elektroden 10 und 14 auf. Dabei ist eine erste Graphen-Elektrode 10 an dem Bodenelement 2 bzw. einer Innenwand des Bodenelements 2 ausgebildet, während eine zweite Graphen-Elektrode 14 an dem Deckelelement 8 bzw. einer Innenwand des Deckelelements 8 ausgebildet ist. Mit anderen Worten sind die Graphen-Elektroden 10 und 14 in Form einer Graphen-Beschichtung des Bodenelements 2 und des Deckelelements 8 ausgebildet. Das Graphen bzw. die Graphen-Elektroden 10, 14 sind derart angeordnet, dass sie in direktem Kontakt mit dem Dampfzellengas sind. Um ein elektrisches Feld bzw. elektrische Feldgradienten mittels der Graphen-Elektroden 10, 14 zu erzeugen, ist die Graphen-Elektrode 10 mit einer elektrischen Zuleitung 12 und die Graphen-Elektrode 14 mit einer elektrischen Zuleitung 16 verbunden bzw. kontaktiert. Die Zuleitungen 12 und 14 erstrecken sich in das Äußere der Dampfzelle 100, so dass daran eine oder mehrere Spannungsquellen angeschlossen werden können. Somit können an jeder Elektrode 10, 14 ein bestimmtes Potential angelegt und im Zwischenraum der Elektroden, d.h. in der Dampfzellenkammer 6, ein entsprechendes elektrisches Feld und/oder elektrische Feldgradienten erzeugt werden. In der 1 bezeichnet V eine Spannung bzw. eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 10 und 14.
• Auch wenn es in dem Ausführungsbeispiel der 1 nicht gezeigt ist, versteht es sich, dass die Dampfzelle 100 bzw. das Behältnis auch mehr als zwei Graphen-Elektroden aufweisen kann. Auch kann jede Graphen-Elektrode mit mehr als einer Zuleitung verbunden bzw. kontaktiert sein. Grundsätzlich kann Graphen an jeder Innenwand des Behältnisses als Elektrode angeordnet bzw. aufgebracht sein. Mit anderen Worten kann jede Innenwand des Behältnisses mit Graphen beschichtet sein, um Elektroden auszubilden. Die Anzahl und Anordnung der Graphen-Elektroden und/oder die Anzahl und Anordnung der Zuleitungen hängt von der jeweiligen Anwendung und insbesondere von den mittels des elektrischen Feldes oder eines elektrischen Feldgradienten einzustellenden Eigenschaften bzw. Parameter des Dampfzellengases ab.
• Die 2 und 3 sollen anhand eines durchgeführten Experiments beispielhaft verdeutlichen, wie die Eigenschaften eines Dampfzellengases mittels eines elektrischen Feldes beeinflusst bzw. eingestellt werden können. In diesem beispielhaften Experiment wurden Transmissionsspektren zweier Dampfzellen für unterschiedlich angelegte elektrische Felder gemessen, wobei eine Dampfzelle Graphen-Elektroden und die andere Dampfzelle Chrom-Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Feldes aufweist. Für die Messung wurde die Transmission eines Abfrage- bzw. Probe-Laserstrahls durch die Dampfzelle gemessen.
• Die 2 zeigt ein beispielhaftes Anregungsschema für Rydbergatome in einem thermischen Rubidium-Gas. Für die Transmissionsmessung wird ein Abfrage- bzw. Probe-Laserstrahl 20 eines Probe-Lasers verwendet, der stets in Resonanz mit dem atomaren Übergang von dem 5S_1/2 zu dem 5P_1/2 Zustand (D1-Linie) von Rubidium gehalten wird. Gleichzeitig wird ein durchstimmbarer zweiter Laserstrahl 30 eines Kopplungs- bzw. -Coupling-Lasers mit Energien, die in etwa dem Übergang von dem 5P_1/2 zu dem 22S_1/2 Zustand entsprechen, verwendet. Die Transmission des Probe-Laserstrahls 20 durch die Dampfzelle wird nun aufgezeichnet, während die Frequenz des Coupling-Lasersstrahls 30 mit einem Wert Δ, typischerweise im MHz-Regime, variiert bzw. verstimmt wird. Das Anlegen eines elektrischen Feldes mittels der Elektroden beeinflusst die gesamten Energieniveaus und damit die Abstände bzw. Differenzen der Energieniveaus. Für unterschiedliche elektrische Felder ergeben sich also unterschiedliche Energieniveaus.
• Das Einstellen von Eigenschaften mittels eines angelegten elektrischen Feldes ist nun in der 3 dargestellt. Während die 3a Transmissionsspektren einer erfindungsgemäßen Dampfzelle 100 mit Graphen-Elektroden zeigt, zeigt die 3b Transmissionsspektren einer Referenz-Dampfzelle, d.h. einer baugleichen Dampfzelle, die jedoch anstelle von Graphen-Elektroden metallische Chrom-Elektroden aufweist. Die Messbedingungen wie Temperatur, Druck usw. waren bei der Aufnahme der Transmissionsspektren im Wesentlichen identisch.
• In den 3a und 3b sind jeweils sechs Transmissionskurven, die für unterschiedlich hohe elektrische Felder gemessen wurden, dargestellt. In jeder der Kurven ist ein Transmissions-Peak des Rubidium-Gases als Funktion der Verstimmung Δ des Coupling-Lasers erkennbar. Mit einer Variation des angelegten elektrischen Feldes verschiebt sich dieser Transmissions-Peak, wodurch die Beeinflussung von Eigenschaften der Dampfzellen bzw. des Dampfzellengases durch das elektrische Feld nachgewiesen werden kann.
• Vergleicht man die Messergebnisse für die erfindungsgemäße Dampfzelle 100 mit den Messergebnissen für die Referenz-Dampfzelle, so kann festgestellt werden, dass die erfindungsgemäße Dampfzelle 100 der Referenz-Dampfzelle deutlich überlegen ist. Bei den Messungen der erfindungsgemäßen Dampfzelle 100 tritt jeweils nur ein einzelner und scharfer Transmissions-Peak auf. Dies deutet auf ein sehr homogenes elektrisches Feld hin, d.h. nahezu alle Gasatome spüren das gleiche elektrische Feld. Im Gegensatz dazu treten in den Messungen der Referenz-Dampfzelle mehrere und breite Transmissions-Peaks auf, welche auf eine breite Verteilung des elektrischen Feldes in der Dampfzelle hindeuten, d.h. verschiedene Gasatome spüren ganz unterschiedliche elektrische Felder, und/oder manche Gasatome werden gar nicht von dem Feld beeinflusst. Im Ergebnis können mit den Graphen-Elektroden sehr viel homogenere elektrische Felder in der Dampfzelle bzw. in der Dampfzellenkammer erzeugt werden als beispielsweise mit Chrom-Elektroden.
• Bezugszeichenliste

2

Bodenelement / Bodenzellwand

4

Zwischenelement / Zwischenzellwand

5

Gaseinlass

6

Dampfzellenkammer / Hohlraum

8

Deckelelement / Deckelzellwand

10

Graphen / Graphen-Elektrode

12

Zuleitung

14

Graphen / Graphen-Elektrode

16

Zuleitung

20

Abfrage- bzw. Probe-Laserstrahl

30

Kopplungs- bzw. Coupling-Laserstrahl

100

Dampfzelle

Claims (10)

1. Dampfzelle (100), aufweisend – ein Behältnis mit einer Dampfzellenkammer (6), wobei die Dampfzellenkammer (6) ausgelegt ist, ein Dampfzellengas aufzubewahren; und – eine oder mehrere Elektroden (10, 14), welche in dem Behältnis angeordnet und ausgelegt sind, um ein elektrisches Feld und/oder elektrische Feldgradienten in der Dampfzellenkammer (6) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die eine oder mehreren Elektroden (10, 14) aus Graphen gebildet sind.
2. Dampfzelle (100) nach Anspruch 1, wobei das Behältnis im montierten Zustand luftdicht verschlossen ist.
3. Dampfzelle (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Behältnis zumindest bereichsweise transparent ist und vorzugsweise zumindest teilweise aus Glas gebildet ist.
4. Dampfzelle (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dampfzellenkammer (6) mit einem Dampfzellengas befüllt ist.
5. Dampfzelle (100) nach Anspruch 4, wobei das Dampfzellengas Atome, Moleküle und/oder Gasgemische aufweist.
6. Dampfzelle (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Dampfzellengas Alkalimetallatome, vorzugsweise Rubidium- und/oder Cäsiumatome, aufweist.
7. Dampfzelle (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die eine oder mehreren Elektroden (10, 14) derart angeordnet sind, dass das Dampfzellengas durch das mit Hilfe der einen oder mehreren Elektroden (10, 14) erzeugbare elektrische Feld und/oder durch die mit Hilfe der einen oder mehreren Elektroden (10, 14) erzeugbaren elektrischen Feldgradienten im Wesentlichen vollständig durchsetzt wird.
8. Dampfzelle (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Dampfzellenkammer (6) ein Volumen zwischen 1 µm³ und 1 m³ aufweist.
9. Dampfzelle (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend – eine oder mehrere elektrische Zuleitungen (12, 16), welche die eine oder mehreren Elektroden (10, 14) elektrisch kontaktieren und sich in das Äußere des Behältnisses erstrecken.
10. Verwendung von Graphen als Elektrode in einer Dampfzelle.

Images