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F.A.Z. v. 22.12.1999

Atomlaser mit hoher Ausbeute

Materiewellen durch Bose-Einstein-Kondensat verstärkt / Von Rainer Scharf

Vor fast drei Jahren hatten Wolfgang Ketterle und seine Mitarbeiter am Massachusetts Institute of Technology einen Atomlaser gebaut, der vieles mit einem optischen Laser gemeinsam hat. Wie die Lichtwellen schwingen die De-Broglie-Wellen des Atomlasers im Gleichtakt. Die Atome geben gewissermaßen ihre Identität auf und verschmelzen zu einer einheitlichen, kohärenten Materiewelle. Doch es gibt auch Unterschiede. In einem optischen Laser werden die Photonen in beliebiger Zahl erzeugt, während der Atomlaser Nachschub aus einem Reservoir beziehen muss. Ist der Vorrat erschöpft, bricht der Atomstrahl zusammen. Zudem wird in optischen Lasern das Licht verstärkt, während die bisher gebauten Atomlaser ihre Strahlung unverstärkt abgeben. Jetzt hat die amerikanische Arbeitsgruppe einen Atomlaser entwickelt, bei dem sich die Intensität eines zunächst schwachen Atomstrahls beträchtlich steigern lässt.

In einem optischen Laser regen die umherfliegenden Photonen die Atome des Lasermediums dazu an, ihrerseits Lichtteilchen abzustrahlen, die dieselbe Frequenz, Phase und Bewegungsrichtung haben wie die bereits vorhandenen Photonen. Man spricht von stimulierter Emission. Dies führt dazu, dass eine anfangs schwache Lichtwelle zu einem intensiven Laserstrahl wird. Der Strahl von Atomlasern entsteht dadurch, dass die Atome aus einem so genannten Bose-Einstein-Kondensat herausfallen. Dabei handelt es sich um ein winziges Wölkchen aus einigen Millionen Atomen, dessen Temperatur weniger als ein Millionstel Grad beträgt. Die Atome sind deshalb nahezu in Ruhe. Da sich ihre De-Broglie-Wellen überlagern, nehmen die Atome einen kollektiven Quantenzustand an. Lässt man einen Teil von ihnen aus dem Kondensat herausfallen, so erhält man einen kohärenten, jedoch unverstärkten Atomstrahl.

Nun ist es Ketterle und seinen Mitarbeitern gelungen, mit einem schwachen Atomstrahl ein Bose-Einstein-Kondensat zur stimulierten Emission zu bringen und auf diese Weise die Intensität des Strahls zu verstärken ("Nature", Bd. 402, S. 641). Zunächst stellten die Wissenschaftler einen gepulsten Atomstrahl her. Dazu schnitten sie von einem etwa 0,2 Millimeter langen, zigarrenförmigen Kondensat aus Natriumatomen mit einem Lichtpuls ein winziges Atompaket ab, das sich daraufhin durch das ruhende Kondensat bewegte. Da die Atome des Kondensats ruhen, während die Atome des Strahls in Bewegung sind, unterscheiden sich die Materiewellen von Atomstrahl und Kondensat. Die Interferenz der beiden Wellen lässt im Kondensat ein waschbrettartiges Muster entstehen, in dem sich atomreiche mit atomarmen Gebieten abwechseln. Dieses Muster ist um so ausgeprägter, je mehr Atome der Atomstrahl enthält.

Bestrahlt man das gemusterte Kondensat mit Laserlicht, so wirkt es auf die Photonen wie ein Beugungsgitter und lenkt sie in bestimmte Richtungen ab. Dabei erteilen die Photonen den von ihnen getroffenen Kondensatatomen einen Rückstoß. Mit Laserlicht bestimmter Wellenlänge konnten die Forscher Atome aus dem Kondensat in den Atomstrahl befördern. Dies gelang um so besser, je mehr Atome der Strahl schon enthielt. Deren Zahl wuchs dann innerhalb einiger tausendster Sekunden auf nahezu das Hundertfache an.

Nachdem der kohärente Atomstrahl das Kondensat verlassen hatte, haben die Forscher ihn mit einem weiteren Laser bestrahlt und als winzigen Schatten sichtbar gemacht. Offenbar ist das Verfahren noch nicht ausgereift, denn nach einiger Zeit veränderte der verstärkte Atomstrahl seine Form. Der Verstärkungsgrad hängt von der Präzision ab, mit der das Laserlicht die Kondensatatome in den Atomstrahl bringt. Heisenbergs Unschärfebeziehung zufolge ist diese Präzision um so größer, je mehr Atome das Kondensat enthält. Mit größeren Kondensaten sollten sich also bessere Atomstrahlen herstellen lassen.

Die Wissenschaftler sehen verschiedene Anwendungsmöglichkeiten für ihren Materiewellenverstärker. Zum einen könnte er die Präzision von Gyroskopen verbessern. Drehungen im Raum ließen sich mit kohärenten Materiewellen wesentlich genauer messen als mit Laserlicht. Zum anderen ermöglicht es der Verstärker, mit Hilfe von kohärenten Atomstrahlen die Wirkung von stark absorbierenden Gasen auf Materiewellen zu untersuchen. Man könnte einen kohärenten Atomstrahl, der ein absorbierendes Gas durchquert hat und dabei beträchtlich abgeschwächt wurde, so weit verstärken, dass die in ihm enthaltene Information über das durchquerte Gas zum Vorschein kommt.
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