02-09-2005


Atomlaser besteht Test

Der Atomlaser trägt seinen Namen zu Recht, wie die vollständige Zählstatistik seiner Atome zeigt.

Atome, die ein Bose-Einstein-Kondensat bilden, stimmen ihr Verhalten perfekt aufeinander ab. Dann reicht eine einzelne makroskopische Wellenfunktion aus, um die Verhältnisse im Kondensat vollständig zu beschreiben. Lässt man aus dem Kondensat nach und nach Atome entweichen, ohne ihre Abstimmung oder Kohärenz zu stören, so bilden sie einen Atomstrahl mit ungewöhnlichen Eigenschaften, die man unter dem Schlagwort „Atomlaser“ zusammengefasst hat.

Bei Interferenzexperimenten hatten die Atomlaserstrahlen große räumliche und zeitliche Kohärenz gezeigt. Wie die Atome im Kondensat, so stimmen auch die Strahlatome ihr Verhalten aufeinander ab. Doch anhand der bislang durchgeführten Intensitätsmessungen ließ sich noch nicht entscheiden, ob der Atomlaser seinen Namen zu Recht trägt. Dazu müssen auch die Intensitäten im Strahl zu unterschiedlichen Zeiten in charakteristischer Weise korreliert sein. Diese Korrelationen haben jetzt Tilman Esslinger und seine Kollegen von der ETH Zürich erstmals gemessen.

Die Forscher haben dabei ein Verfahren angewandt, das die britischen Radioastronomen Robert Hanbury Brown und Richard Twiss in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt hatten, um den Winkeldurchmesser von Radioquellen zu bestimmen. Mit zwei Radioantennen, deren Abstand d sich verändern ließ, wurden die zeitlich schwankenden Intensitäten I1 und I2 der einfallenden Radiostrahlung gemessen. Nach zeitlicher Mittelung ließ sich aus der d-Abhängigkeit der Intensitätskorrelation <I1 I2>/<I1><I2> der Durchmesser der Radioquelle ablesen.

Auch auf Lichtstrahlen kann man das Verfahren von Hanbury Brown und Twiss (HBT) anwenden. Dazu untersucht man, wie die Lichtintensitäten eines Strahls zu den Zeit t und t+t miteinander korreliert sind: C(t) = <I(t)I(t+t)>/<I(t)>2, wobei über die Zeit t gemittelt wird. Für sehr große Zeitabstände t sind die Intensitäten nicht korreliert und C hat den Wert 1. Für gleiche Zeiten (t=0) ist C(0)= <I2>/<I>2 und damit nach der klassischen Physik größer als 1, da <I2> immer größer als <I>2 ist. Ins Photonenbild lassen sich die aufeinander abgestimmten Intensitätsschwankungen so übersetzen: Ein Photon kommt selten allein.

Beim Auszählen der Photonen, die in einem bestimmten Zeitintervall beim Detektor ankommen, findet man für klassisches Licht, d. h. für thermische Strahlung, eine Bose-Verteilung: P(N)=<n>N/(1+<n>)1+N. Man erhält C(0)=2: Die Photonen kommen „geklumpt“ beim Detektor an, wie man es für Bosonen erwartet. Für Laserlicht hingegen ergibt die Photonenstatistik eine Poisson-Verteilung: P(N) = <n>N exp(-<n>)/N! und die Photonen kommen nicht geklumpt sondern unabhängig beim Detektor an: C(0)=1. Im Vergleich zur thermischen Strahlung zeigt bei der Laserstrahlung der Photonenfluss geringere Schwankungen.

Welcher Statistik folgen die Atome im Strahl eines Atomlasers? Um das herauszufinden, haben die Forscher um Tilman Esslinger zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat aus 1,5 Millionen Rubidium-87-Atomen in einem bestimmten Hyperfeinzustand hergestellt und in einer Magnetfalle festgehalten. Mit einem wohldosierten Mikrowellenfeld haben sie lokal in der Falle die Atome in einen anderen Hyperfeinzustand gebracht. In diesem Zustand wurden die Atome nicht mehr von der Magnetfalle festgehalten und fielen deshalb unter der Wirkung des irdischen Schwerefeldes aus ihr heraus. Rund 3000 Atome verließen im Laufe einer halben Sekunde die Falle und bildeten den Atomlaserstrahl.

Nachdem die Atome 36 Millimeter tief gefallen waren, durchquerten sie jeweils innerhalb von 40 Mikrosekunden einen winzigen verspiegelten Hohlraum, der als Atomdetektor diente. Ob sich zu einer bestimmten Zeit ein Atom im Hohlraum befand, überprüften die Forscher mit einem sehr schwachen Laser, der den Hohlraum durch zusätzliche Öffnungen durchstrahlte. Nachdem der Laserstrahl den Hohlraum verlassen hatte, wurde seine Intensität des Laserstrahls mit einem Photodetektor gemessen. Immer wenn sich ein Atom im Hohlraum befand, fiel die Photonenzählrate merklich ab. So gelang es den Forschern, etwa für ein Viertel der Atome die Ankunftszeit im Hohlraum zu bestimmen. Aus dieser repräsentativen Stichprobe ließ sich die Zählstatistik der Atome im Atomlaserstrahl ermitteln.

Wie sich herausstellte, waren die Atome Poisson-verteilt – wie die Photonen im Laserstrahl. Sie erreichten den Atomdetektor völlig unabhängig voneinander und „klumpten“ nicht zusammen. Die Photonenkorrelation C(t) hatte für alle gemessenen Zeitabstände von 0 bis 15 Millisekunden konstant den Wert 1. Der Atomlaserstrahl hatte also tatsächlich dieselben statistischen Eigenschaften wie ein photonischer Laserstrahl.

Wie weit geht die Analogie zwischen einem Strahl aus bosonischen Atomen und einem Lichtstrahl aus Photonen? Lässt sich z. B. ein Atomstrahl herstellen, in dem die Atome exakt einer Bose-Verteilung folgen, wie die Photonen in der thermischen Strahlung? Um das zu untersuchen, haben Esslinger und seine Kollegen die Atome mit Hilfe eines verrauschten Mikrowellenfeldes aus dem Bose-Einstein-Kondensat herausgeholt und dadurch die Kohärenz des Atomstrahls zerstört. Und tatsächlich folgten die beim Atomdetektor eintreffenden Atome einer Bose-Verteilung. Sie traten, ihrer bosonischen Natur gemäß, „geklumpt“ auf und die Korrelation C(t) hatte bei t=0 ein ausgeprägtes Maximum.

Für das Licht kennt man neben thermischer Strahlung und Laserstrahlung auch noch „nichtklassische“ Strahlung, bei der die Photonen „Anti-Bunching“ zeigen und einander meiden. Dadurch sind die Schwankungen der am Detektor gemessenen Photonenzahl für diese Strahlung geringer als für die Laserstrahlung. Die Korrelation C(t) hat in diesem Fall bei t=0 ein deutliches Minimum. Ob es gelingen wird, auch bei einem Strahl aus ungeladenen Atomen „Anti-Bunching“ zu beobachten?

Rainer Scharf

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