Rückstoßtemperatur

In der Quantenoptik ist die Rückstoßtemperatur oder Recoil-Temperatur die niedrigste Temperatur, die erreicht werden kann, wenn Teilchen (z. B. Atome) durch Absorption und Emission von Photonen gekühlt werden (man spricht auch vom Recoil limit). Sie ist definiert als die Temperatur, die einem ruhenden Atom zugeordnet werden kann, das genau ein Photon auf dem verwendeten Kühlübergang aussendet und damit einen kleinen Impulsübertrag (Rückstoß) erfährt.

Das vom Atom emittierte Photon besitzt den Impuls $p_{\gamma }=\hbar k=h/\lambda$ (h: plancksches Wirkungsquantum, λ: Wellenlänge des Photons, k = 2π/λ: Wellenzahl). Aufgrund der Impulserhaltung erhält das Atom einen dazu genau entgegengesetzten Impuls. Wenn das Atom die Masse $m$ besitzt, folgt aus dieser Impulsänderung die kinetische Energie $E_{\text{kin, Atom}}=p_{\gamma }^{2}/(2m)$. Dieser kinetischen Energie kann nun formal eine Temperatur, die Rückstoßtemperatur, zugeordnet werden:

$T_{\text{recoil}}={\frac {\hbar ^{2}k^{2}}{2mk_{B}}}$

Dabei ist k_B die Boltzmannkonstante. Die Rückstoßtemperatur hat typischerweise eine Größenordnung von 1 µK und ist damit deutlich niedriger als die Doppler-Temperatur. Die Rückstoßtemperatur kann z. B. mit dem Verfahren des Sisyphuskühlens erreicht werden.

Recoil-Geschwindigkeit

Analog zur Rückstoßtemperatur wird auch die Rückstoßgeschwindigkeit oder Recoil-Geschwindigkeit v_recoil als diejenige Geschwindigkeitsänderung definiert, die ein Atom bei der spontanen Emission eines Photons erfährt:

$v_{\text{recoil}}={\frac {\hbar k}{m}}={\frac {p_{\gamma }}{m}}$

Sie beträgt typischerweise einige wenige cm/s.