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Wie man Rubidiumatome sanft zum Stillstand bringt

Laserkühlung ohne Anregung: Photonen entziehen Teilchen schonend Bewegungsenergie

Von Rainer Scharf
 
Wenn Atomphysiker es in ihren Vakuumapparaturen richtig kalt haben wollen, dann arbeiten sie mit flüssigem Helium, oder sie schalten ihre Lasersysteme ein. Mit intensivem Laserlicht können sie nämlich Atome bis fast auf den absoluten Temperaturnullpunkt von rund minus 273 Grad kühlen. Das Verfahren funktionierte aber bislang nur bei einigen ausgewählten Atomsorten, und bei Molekülen versagte es ganz. Abhilfe könnte nun eine neue Kühltechnik schaffen, die Forscher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München entwickelt haben.

Bei der konventionellen Laserkühlung werden Atome von allen Seiten mit Laserlicht bestrahlt, dessen Frequenz geringer ist als für eine Anregung der Teilchen erforderlich. Aufgrund des Dopplereffekts kann dann ein Atom, das sich einem Laserstrahl entgegenbewegt, ein Photon absorbieren. Ähnlich wie für einen Fußgänger der Sirenenton eines herannahenden Krankenwagens höher klingt, so "sieht" das Teilchen das Licht mit einer etwas erhöhten Frequenz. Bei dem Zusammenstoß übernimmt das Atom den Impuls des Photons und wird daraufhin abgebremst. Nach jeder Absorption leuchtet es kurz auf, da es das aufgenommene Photon wieder abgibt und in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Die Atome sammeln sich allmählich im Kreuzungspunkt der Laserstrahlen, wo sie sich nur noch extrem langsam bewegen.

Das Verfahren funktioniert aber nur dann, wenn das zu kühlende Atom nach der Anregung wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehrt. Ist das nicht der Fall, kommt der Kühlprozeß zum Erliegen. Daher läßt sich die Technik nur auf ausgewählte Atomsorten anwenden, die nur wenige mögliche Endzustände besitzen. Bei komplexen Systemen wie Molekülen, die stets eine Vielzahl von Endzuständen aufweisen, versagt sie gänzlich. Einen Ausweg aus diesem Dilemma haben nun Gerd Rempe und seine Mitarbeiter gefunden. Wie die Forscher in der Zeitschrift "Nature" (Bd. 428, S. 50) berichten, ist es offenbar gar nicht nötig, daß die Atome die Laserphotonen absorbieren. Sie können ihre überschüssige Wärmeenergie auch auf anderem Wege auf die Photonen übertragen.

Für ihre Versuche brachten die Forscher ein einzelnes Rubidiumatom in einen Hohlraum, der von zwei einander gegenüberstehenden Spiegeln begrenzt war. Die Spiegel, die einen Abstand von einem zehntel Millimeter hatten, waren ein wenig lichtdurchlässig, so daß durch die Rückseiten der Spiegel zwei Laserstrahlen in den Hohlraum leuchten konnten. Dort wurden die Strahlen zwischen den Spiegeln hin- und herreflektiert. Während der eine Strahl eine stehende Welle aufbaute, die die Bewegungsfreiheit des Atoms stark einschränkte, war der andere Strahl auf das herumfliegende Atom gerichtet.

Die Wissenschaftler hatten die Frequenz des zweiten Laserstrahls so bemessen, daß er das Atom nicht anregen konnte. Die Anwesenheit des Rubidiumatoms beeinflußte allerdings die optischen Eigenschaften des Hohlraumresonators. Das hatte zur Folge, daß sich die Frequenz des Lichtes und damit auch die Energie der Photonen geringfügig erhöhte. Die zusätzliche Energie entstammte der Wärmebewegung des Atoms, das deshalb immer langsamer wurde und sich so allmählich abkühlte.

Das Verfahren der Garchinger Forscher ist wesentlich effektiver als herkömmliche Techniken der Laserkühlung. Zum Abbremsen des Atoms reicht es schon, wenn die Intensität des zweiten Laserstrahls so schwach ist, daß sich im statistischen Mittel nur ein hundertstel Photon zwischen den beiden Spiegeln befindet. Da bei dem Verfahren keine Photonen absorbiert werden, es also auch zu keiner Anregung kommt, sollten sich auf diese Weise auch Moleküle kühlen lassen. Darüber hinaus könnte man auch Atome zum Stillstand bringen, in denen Quanteninformationen gespeichert sind. Bei einer Anregung mit Licht würden diese sofort zerstört. Die Verarbeitung von Quanteninformationen, wie sie zum Beispiel ein künftiger Quantencomputer vornehmen soll, ließe sich damit erheblich beschleunigen und verbessern. 

Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 17.03.2004, Nr. 65 / Seite N1

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