Prinzip der Laserkühlung und ihre Anwendung auf kalte Atome
In der Kaltatomphysik erfordern viele experimentelle Arbeiten die Kontrolle von Teilchen (Einsperren ionischer Atome, wie z. B. Atomuhren), deren Verlangsamung und die Verbesserung der Messgenauigkeit. Mit der Entwicklung der Lasertechnologie findet die Laserkühlung auch bei kalten Atomen zunehmende Anwendung.
Auf atomarer Ebene ist die Geschwindigkeit, mit der sich Teilchen bewegen, entscheidend für die Temperatur. Laserkühlung nutzt Photonen und Atome zum Impulsaustausch und kühlt so Atome. Bewegt sich beispielsweise ein Atom vorwärts und absorbiert ein entgegenkommendes Photon, verlangsamt sich seine Geschwindigkeit. Das ist vergleichbar mit einem Ball, der auf dem Rasen rollt. Wird er nicht durch andere Kräfte angeschoben, bleibt er aufgrund des Widerstands, der durch den Kontakt mit dem Rasen entsteht, stehen.
Dabei handelt es sich um die Laserkühlung von Atomen. Der Prozess ist ein Zyklus. Und aufgrund dieses Zyklus kühlen die Atome immer weiter ab.
Die einfachste Kühlung besteht dabei in der Ausnutzung des Doppler-Effektes.
Allerdings können nicht alle Atome durch Laser gekühlt werden. Um dies zu erreichen, muss ein „zyklischer Übergang“ zwischen den Atomniveaus gefunden werden. Nur durch zyklische Übergänge kann eine kontinuierliche Kühlung erreicht werden.
Da derzeit Alkalimetallatome (wie beispielsweise Na) nur ein Elektron in der äußeren Schicht aufweisen und die beiden Elektronen in der äußersten Schicht von Erdalkaliatomen (wie beispielsweise Sr) ebenfalls als Ganzes betrachtet werden können, sind die Energieniveaus dieser beiden Atome sehr einfach und ein „zyklischer Übergang“ ist leicht zu erreichen. Daher sind die Atome, die heute von Menschen gekühlt werden, meist einfache Alkalimetallatome oder Erdalkaliatome.
Prinzip der Laserkühlung und ihre Anwendung auf kalte Atome
Veröffentlichungszeit: 25. Juni 2023