Prinzip der Laserkühlung und ihre Anwendung auf kalte Atome
In der Physik kalter Atome erfordert ein Großteil der experimentellen Arbeit die Kontrolle von Teilchen (z. B. durch Einschluss ionischer Atome in Atomuhren), deren Verlangsamung und die Verbesserung der Messgenauigkeit. Mit der Entwicklung der Lasertechnologie findet die Laserkühlung auch in der Physik kalter Atome zunehmend Anwendung.
Auf atomarer Ebene ist die Geschwindigkeit, mit der sich Teilchen bewegen, der entscheidende Faktor für die Temperatur. Laserkühlung nutzt den Impulsaustausch zwischen Photonen und Atomen, wodurch die Atome gekühlt werden. Beispielsweise verringert sich die Geschwindigkeit eines Atoms, das sich vorwärts bewegt und ein entgegengesetzt fliegendes Photon absorbiert. Dies ist vergleichbar mit einem Ball, der über eine Rasenfläche rollt: Ohne äußere Einflüsse würde er aufgrund des Widerstands der Oberfläche zum Stillstand kommen.
Dies ist die Laserkühlung von Atomen, und der Prozess ist ein Kreislauf. Aufgrund dieses Kreislaufs kühlen die Atome immer weiter ab.
Die einfachste Kühlmethode hierbei ist die Nutzung des Doppler-Effekts.
Allerdings lassen sich nicht alle Atome mit Lasern kühlen; vielmehr muss ein „zyklischer Übergang“ zwischen den Atomniveaus gefunden werden, um dies zu erreichen. Nur durch solche zyklischen Übergänge kann eine Kühlung erzielt und kontinuierlich fortgesetzt werden.
Da das Alkalimetallatom (wie z. B. Na) nur ein Elektron in der äußeren Schale besitzt und die zwei Elektronen in der äußersten Schale der Erdalkaligruppe (wie z. B. Sr) als eine Einheit betrachtet werden können, sind die Energieniveaus dieser beiden Atome sehr einfach, und es ist leicht, einen „zyklischen Übergang“ zu erreichen. Daher handelt es sich bei den Atomen, die derzeit von Menschen gekühlt werden, meist um einfache Alkalimetallatome oder Erdalkaliatome.
Prinzip der Laserkühlung und ihre Anwendung auf kalte Atome
Veröffentlichungsdatum: 25. Juni 2023