Laserkühlung
Laserkühlung ist ein Verfahren, um einzelne Atome mit Hilfe von Laserlicht stark abzukühlen (z.B. zum Erzeugen von optischen Molassen, einer Vorform des Bose-Einstein-Kondensats). Die Grundidee ist die folgende:
Die Temperatur von Atomen drückt sich in ihrer (ungeordneten) Bewegung aus: Je größer die Geschwindigkeit eines Atoms ist, desto heißer ist es. Diese Geschwindigkeit kann durch geschickten Beschuss mit Lichtquanten (Photonen) verringert werden.
Dabei gibt es zwei Bereiche:
Dopplerkühlen
Kühlen im Zweizustands-System
Man benutzt hier einen spezifischen Übergang im Atomspektrum (oft ein Hyperfeinstruktur-Übergang), den man dann als einfaches Zweizustandssystem betrachten kann. Durch Einstrahlen von resonanten Photonen (z.B. Laser-Licht) kann der Grundzustand |g> in den angeregten |e> Zustand gebracht werden. Der angeregte Zustand |e> kann nach kurzer Zeit auf zwei Arten in den Grundzustand |g> zerfallen: Zum einen ist stimulierte Emission möglich, zum anderen spontane Emission. Bei beiden Prozessen werden Photonen reemittiert.
Im Falle der stimulierten Emission erfolgt kein Netto-Impulsübertrag auf das Atom, da ein Photon gleicher Energie in Richtung des eingestrahlten Photons abgestrahlt wird. Zerfällt |e> allerdings spontan, so ist die Richtung der Reemission zufällig. Da die Photonen eine Vorzugsrichtung hatten, werden die Atome langsam in diese Richtung beschleunigt/abgebremst. Strahlt man Licht aus allen Raumrichtungen ein, kann man damit alle Atome abbremsen - egal in welche Richtung sie sich bewegen. Dazu benutzt man drei Paare aus jeweils zwei gegenläufigen Laser-Strahlen, die senkrecht aufeinander stehen.
Da sich heiße Atome bewegen sehen sie nicht die Frequenz des Lichtes im Laborsystem, sondern eine aufgrund des Dopplereffektes verschobene Frequenz. Man muss also gegenüber der Resonanzfrequenz des Übergangs verstimmtes Licht einstrahlen, um den Absorptions/Reemissionszyklus anzuregen. Mit einer bestimmten Verstimmung des Laserlichtes wählt man also Atome einer bestimmten Geschwindigkeit aus. Diese Auswahl ist nicht scharf. Bei einer Rotverschiebung des eingestrahlten Lichtes wirkt der Prozess nur auf Atome, die sich auf den Laserstrahl zubewegen. Verwendet man in einer Raumdimension zwei gegenläufige, rotverstimmte Laserstrahlen, so ergibt sich eine geschwindigkeitsabhängige Kraft, die auf alle Atome mit v ≠ 0 wirkt und diese abbremst (siehe Grafik rechts). Um Atome auch in drei raumdimensionen zu kühlen verwendet man sechs paarweise gegenläufige Laserstrahlen. Die Paare stehen dabei senkrecht aufeinander.
Die abgekühlte Atomwolke wird als optische Melasse (engl. optical melasse) bezeichnet.
Das Limit dieses Kühlprozesses ist durch die sog. Dopplertemperatur gegeben. Sie ist durch die Zitterbewegung der Atome aufgrund der spontanen Emission gegeben. Für Rubidium-Atome ist sie etwa 140 μK.
Dieses Verfahren ermöglicht es zwar die Atome abzukühlen, es kann sie aber nicht an einem Platz halten. Aufgrund der Restgeschwindigkeit (Doppler-Limit) können sie aus dem Kühlbereich herausdiffundieren. Deswegen erweitert man das Verfahren zur Magneto-optischen Falle (MOT), bei der die Atome noch in einem Magnetfeld gefangen werden und so örtlich lokalisiert bleiben. Mit ihr kann man auch Temperaturen erreichen, die tiefer als das Doppler-Limit liegen.
Reale Atome und Repumping
Zum Kühlen benötigt man ein System von zwei Zuständen so, dass durch Anregung mit Photonen ein Übergang angeregt wird, der auch nur den Ausgangszustand zwerfallen kann. Im Zweizustands-System ist dies immer gegeben. Allerdings benutzt man im Labor Systeme, die eben keine perfekten Zweizustandssysteme sind und so besteht immer die Chance, dass Atome in einen Zustand zerfallen, in dem sie zum eingestrahlten Licht nicht mehr resonant sind (Dunkelzustand, engl. dark state) und so aus dem Zyklus verloren gehen. Im Bild rechts sieht man einen Übergang von Rubidium, der zum Kühlen verwendet wird, da er im nahen Infrarot (ca. 780 nm) liegt und Laser dieser Wellenlänge gut erhältlich sind. Der angeregte Zustand des Kühlüberganges (blau eingezeichnet) zerfällt einmal in 1000 Zyklen in den unteren Zustand F=2 statt F=3, aus dem er mit einem Repump-Laser zurückgeholt werden muss. Dieser hebt Atome aus dem unteren Grundzustand auf F=3 an (siehe Zeichnung), aus dem sie dann wieder in den Zyklus zurückkehren.
Subdopplerkühlen
Laserkühlen in tiefere Temperaturen wird als Subdopplerkühlen bezeichnet. Dabei muss genauer auf das emittierte Photon Rücksicht genommen werden. Dies geschieht durch geschickte Wahl der Polarisation des Lichtes oder z.B. durch Anbringen eines zusätzlichen Resonators.
Geschichte
1997 wurde der Nobelpreis in Physik für die Entwicklung des Laserkühlens an Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William D. Phillips vergeben.
Weblink
- http://www.iap.uni-bonn.de/P2K/bec/lascool1.html
- http://nobelprize.org/physics/laureates/1997/index.html
- http://optics.colorado.edu/%7Ekelvin/classes/opticslab/LaserCooling3.doc.pdf
Literatur
- Phllips, W.D.: ”Laser cooling and trapping of neutral atoms”, in: Reviews of Modern Physics 3 / 70, S. 721-741. [1]