Abkühlung und Einfangen von Atomen mit Lasern

Immer mehr Aufmerksamkeit wird den Methoden der Laserkühlung von Atomen auf extrem niedrige Temperaturen und deren Einfang in Fallen gewidmet. Dank dieser Techniken gewinnen wir neue Erkenntnisse über die Mechanismen, die auf atomarer und molekularer Ebene wirken. Sie finden Anwendung bei der Erforschung fundamentaler Konstanten, der Erstellung optischer Frequenznormale (Atomuhren ), in der Quanteninformatik und der Atominterferometrie.

Doppler-Kühlung von Atomen

Bei der Laserkühlung von Atomen wird der sogenannte Doppler-Effekt genutzt. Wird ein sich bewegendes Atom entgegen seiner Bewegungsrichtung mit Photonen bestrahlt, deren Frequenz etwas niedriger ist als die Frequenz, die erforderlich ist, damit ein ruhendes Atom ein Photon absorbiert, „sieht“ das sich bewegende Atom „sieht“ dank des Doppler-Effekts die für die Absorption des Photons erforderliche Frequenz.  Gleichzeitig mit der Energie wird auch der Impuls des Photons übertragen, wodurch das Atom abgebremst wird. Die absorbierte Energie wird nach einer Weile durch einen spontanen Übergang in zufällige Richtungen in die Umgebung abgestrahlt, was zu einer weiteren Verlangsamung des Atoms führt. Das Ergebnis der sich ständig wiederholenden Absorption und Emission von Photonen ist eine allmähliche Verringerung der Geschwindigkeit des Atoms entlang der Bewegungsrichtung der Photonen. Die Laserkühlung von Atomen geht Hand in Hand mit dem Einfangen von Atomen in einer magnetooptischen Falle. Mithilfe eines inhomogenen Magnetfeldes lassen sich die gekühlten Atome für die weitere Verwendung „lagern“.

Einfrequenz-Faserlaser für die Atomkühlung und optische Fallen

Für die Durchführung des Laserkühlungsprozesses eignen sich Teilchen, die einen einfachen und klar definierten Energieübergang aufweisen (z. B. Atome der Alkalimetalle Na, Rb, Cs oder Ionen wie Ba+, Mg+). Bei der Auswahl eines geeigneten Lasers müssen vor allem diese drei Parameter beachtet werden:

• Hohe Laserstabilität
• Schmale Spektrallinienbreite
• Hohe Leistung

Die Einfrequenz-Faserlaser Koheras BOOSTIK erfüllen die hohen Anforderungen, die an kohärente Lichtquellen für die Abkühlung und das Einfangen von Atomen gestellt werden. Dank der Fertigungstechnologie ist es zudem möglich, die Ausgangswellenlänge jedes Koheras-Lasers mit einer Genauigkeit von zwei Zehntel Nanometern zu konfigurieren. Die möglichen Spektralbereiche sind in der folgenden Übersichtstabelle aufgeführt.

Zu den typischen Anwendungsbeispielen für mit dem Laser eingefangene, gekühlte Teilchen gehören:

• Atomuhren (optische Frequenznormale)
• Erforschung fundamentaler Konstanten
• Quanteninformatik
• Atominterferometrie