04-03-2004

Einzelne Atome besser gekühlt

Ein neues Laserkühlverfahren bringt Atome schneller auf tiefe Temperaturen als herkömmliche Methoden. Dabei absorbieren die Atome keine Laserphotonen.

Garching - Die Kühlung von Atomen mit Laserlicht, die 1997 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, spielt eine wichtige Rolle in der Atomphysik. Dieses Kühlverfahren wird zum Beispiel bei der Herstellung von Bose-Einstein-Kondensaten oder beim Bau ultrastabiler Atomuhren genutzt.

Bisher beruht die Laserkühlung auf dem Doppler-Effekt. Die Atome, die gekühlt werden sollen, bestrahlt man aus allen sechs Raumrichtung mit Laserlicht, dessen Frequenz ein wenig zu klein ist, um die Atome im Ruhezustand anregen zu können. Fliegt ein Atom aber einem der Laserstrahlen entgegen, so erscheint die Lichtfrequenz aufgrund des Doppler-Effekts etwas erhöht, und das Atom kann ein Laserphoton absorbieren.

Dabei erhält das Atom einen Stoß entgegen seiner Bewegungsrichtung und wird abgebremst. Anschließend strahlt das angeregte Atom ein Photon in beliebiger Richtung ab und kehrt in seinen Ausgangszustand zurück, sodass es erneut durch Photonenabsorption abgebremst werden kann. Auf diese Weise wirkt das Laserlicht auf die Atome wie ein zähflüssiger Sirup, der ihre Bewegungen dämpft. Die ungeordnete atomare Wärmebewegung wird auf das Licht übertragen: Die Atome lenken die Photonen aus dem geordneten Laserstrahl in alle möglichen Richtungen ab.

Doch jetzt berichten Gerd Rempe und seine Mitarbeiter vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, dass sie die Laserkühlung von Atomen wesentlich verbessern konnten: Es erwies sich als überflüssig, die Laserphotonen völlig aus der Bahn zu werfen, um die ungeordnete Wärmebewegung der Atome zu verringern. Es reichte, wenn jedes der Photonen ein wenig Wärmeenergie aufnahm und seinen Weg fortsetzte.

Außerdem brauchten die Atome die Photonen auch gar nicht zu absorbieren, um von ihnen gekühlt zu werden. Dadurch eignet sich das neue Verfahren, auch Moleküle mit Laserlicht zu kühlen. Bisher war dies nicht möglich, da die Moleküle, nachdem sie ein Photon absorbiert hatten, nicht schnell genug in den Ausgangszustand zurückkehrten, wo sie durch erneute Photonenabsorption hätten weiter abgebremst werden können.

Abb.: Ein Atom lässt sich mit einer stehenden Lichtwelle zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln kühlen. Die Abnahme der Bewegungsenergie des Atoms beruht auf einer Blauverschiebung des transmittierten Laserstrahls. Das Kühlverfahren eröffnet zum ersten Mal die Möglichkeit, neben Atomen auch Moleküle optisch zu kühlen. (Quelle: MPQ)

Die Garchinger Forscher haben ihr Kühlverfahren an einem einzelnen Atom erprobt, doch es soll sich auch für eine größere Zahl von Atomen eignen. Ein einzelnes Rubidiumatom wurde in einen Hohlraum gebracht, der von zwei einander gegenüberstehenden Spiegeln begrenzt war. Die Spiegel, die einen Abstand von einem Zehntel Millimeter hatten, ließen ein wenig Licht durch. So konnten die Forscher mit zwei Lasern durch die Spiegel in den Hohlraum hineinleuchten. Dort wurden die Laserstrahlen von den Spiegeln hin und her reflektiert. Der eine Strahl baut dabei ein elektromagnetisches Feld auf und bildete eine optische Falle, die die Bewegungsfreiheit des Atoms einschränkte (Abb.).

Der andere Laserstrahl traf auf das in der Falle herumfliegende Atom. Die Frequenz des Laserlichts war so gewählt, dass es das Atom nicht anregen konnte. Dennoch wechselwirkten das Atom und das Laserlicht miteinander. Der optische Brechungsindex des Rubidiumatoms beeinflusste die Lichtausbreitung zwischen den Spiegeln. Das hatte zur Folge, dass die Frequenz des Lichtes zunahm und damit auch die Energie der Laserphotonen. Diese zusätzliche Energie wurde der Wärmebewegung des Atoms entzogen, das dadurch abkühlte.

Das neue Laserkühlverfahren erwies sich als fünfmal effektiver als herkömmliche Methoden der Laserkühlung. Um das Atom zu kühlen, reichte es übrigens schon, wenn sich im Mittel nur ein hundertstel Photon zwischen den beiden Spiegeln befand. Da bei diesem Verfahren keine Photonen absorbiert werden, können mit ihm außer Molekülen auch kollektive Anregungen in Bose-Einstein-Kondensaten gekühlt werden. Darüber hinaus sollten sich auf diese Weise auch Atome kühlen lassen, in denen Quanteninformationen gespeichert sind, die bei einer Anregung des Atoms mit Licht zerstört würden. Damit könnte man die Verarbeitung von Quanteninformationen, etwa in einem Quantencomputer, erheblich verbessern.

Rainer Scharf

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