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Atom von Lichtfeld behütet

Teilchen in winzigem Hohlraum gefangen / Kraft durch Photonen

Von Rainer Scharf

Mit einzelnen Atomen zu experimentieren ist heutzutage längst keine Kunst mehr. So kann man ein Atom mit Licht einfangen und festhalten, selbst wenn das Lichtfeld nur aus wenigen Photonen besteht. Das hatten Gerhard Rempe und seine Mitarbeiter vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching erstmals vor zwei Jahren gezeigt. Jetzt haben die Wissenschaftler die Bewegungen eines einzelnen Rubidiumatoms in einem Lichtfeld exakt verfolgen können. Dabei haben sie die Intensität des Feldes so verändert, daß das Atom möglichst lange gefangen blieb.

Für ihre Versuche schossen Rempe und seine Kollegen nacheinander einzelne Rubidium-Atome in einen zylindrischen Lichtresonator, der aus zwei einander zugewandten kreisförmigen Spiegeln bestand. Die Spiegel, die einen Abstand von einem zehntel Millimeter voneinander hatten, waren ein wenig lichtdurchlässig, so daß man durch die Rückseite des einen Spiegels Laserlicht in den Hohlraum einstrahlen konnte. Das Licht wurde zwischen den Spiegeln hin- und herreflektiert, wobei sich eine stehende Lichtwelle bildete. Durch den anderen Spiegel konnte ein kleiner Teil der Welle entweichen, der von einem Lichtdetektor dahinter registriert wurde. Somit ließ sich indirekt beobachten, was im Inneren des Resonators vorging.

Die Forscher hatten für das Laserlicht absichtlich eine etwas niedrigere Frequenz gewählt, als es zur Anregung der stehenden Lichtwelle ideal gewesen wäre. Sobald ein Atom in die Lichtwelle zwischen den beiden Spiegeln gelangte, veränderten sich nämlich die optischen Eigenschaften des Strahlungsraumes. Der Resonator war nun besser auf das Laserlicht abgestimmt, wodurch die Lichtintensität im Hohlraum zunahm. Als der Detektor die erhöhte Intensität registrierte, wußten die Forscher, daß sich ein Atom im Resonator befand. Je näher das Atom der Achse des Hohlraumes kam, desto mehr Licht erreichte den Detektor. Anhand der sich ändernden Lichtintensität ließ sich die Bewegung des Atoms im Hohlraum verfolgen.

Das Licht, dessen Frequenz etwas geringer war als die Anregungsfrequenz des Atoms, übte im übrigen eine Kraft auf das Atom aus. Dieses wurde zur Zylinderachse des Hohlraums gezogen, wo die Lichtintensität am größten war. Mit Hilfe des Strahlungsfeldes konnte man das Atom im Hohlraum also nicht nur beobachten, sondern auch festhalten. Doch dazu mußte das zunächst noch schnell fliegende Atom abgebremst werden. Die Forscher erreichten dies dadurch, daß sie die Lichtintensität für eine zehntausendstel Sekunde um ein Vielfaches erhöhten. Das Atom kam daraufhin fast zur Ruhe und führte nur noch kleine Schwingungen um seine Ruhelage aus.

Da das Atom gelegentlich von Photonen getroffen wurde und dabei einen Rückstoß erfuhr, begann es immer stärker zu schwingen. Es drohte die "Falle" zu verlassen, in die es geraten war. Die Forscher konnten das Entweichen des Atoms jedoch beträchtlich hinauszögern, indem sie seine Bewegungen im Hohlraum mit möglichst geringer Lichtintensität verfolgten und im richtigen Moment die Intensität erhöhten, um das Atom abermals abzubremsen. Dazu entwickelten sie eine elektronische Regelschleife, die die vom Lichtdetektor gemessene Intensität auswertete und dann die Lichtintensität im Resonator kurzfristig veränderte ("Physical Review Letters", Bd. 88, Nr. 163002).

Mit dieser Rückkopplung konnten die Atome um ein Drittel länger in der Falle festgehalten werden also ohne. Dennoch gibt es noch viele Verbesserungsmöglichkeiten. Bisher können die Forscher nur den Abstand der Atome zur Zylinderachse des Hohlraums verfolgen, nicht jedoch seine genaue Position. Mit komplizierter geformten Lichtfeldern ließe sich die Bahn eines Atoms besser bestimmen und sein Entweichen wirksamer verhindern. Zunächst wollen die Forscher aber die elektronische Regelschleife verbessern, um auf die Bewegungen des Atoms optimal reagieren und es noch wesentlich länger in der Falle festhalten zu können. 
 
Frankfurter Allgemeine Zeitung, 30.04.2002, Nr. 100 / Seite N1

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