Techniklexikon

Atomstrahlkühlung

Methode zur Kühlung von Atomen in einem Atomstrahl durch nahezu resonante Lichtstreuung (Laserkühlung). Die Möglichkeit der Atomstrahlkühlung wurde im Prinzip bereits von A. Einstein postuliert, jedoch erst 1980 konnten Balykin und seine Mitarbeiter von der praktischen Realisierung dieser Methode berichten. 1985 gelang es S. Chu erstmals, die Kühlung von neutralen Atomen mittels Laserstrahlen zu realisieren, und noch im selben Jahr konnten Ertmer und seine Mitarbeiter die vollständige Abbremsung eines Na-Atomstrahls demonstrieren. Die Methode beruht auf der Kraftwirkung des Strahlungsdrucks, der durch die Absorption von Photonen und den damit verbundenen Impulsübertrag verursacht wird. Die verwendete Anordnung ist in der Abb. dargestellt. Der Strahl eines Ringlasers ist einem Na-Strahl entgegengerichtet und regt die Atome an. Man verwendet Laserlicht, dessen Frequenz kleiner als die des atomaren Übergangs ist. Dadurch haben Atome, die auf den Laser hin fliegen, eine erhöhte Absorptionswahrscheinlichkeit, da die Doppler-Verschiebung in diesem Fall die Laserfrequenz höher erscheinen lässt. Als Nettoeffekt ergibt sich ein der Atombewegung entgegengerichteter Impulsübertrag, der das Atom bremst. Die Verfahren der Laserkühlung wurden in den letzten Jahren ständig verbessert, wobei entscheidende Fortschritte z.B. durch den Einsatz sog. magnetooptischer Fallen erzielt wurden. Derartige Verfahren werden heute in vielen Experimenten der Atomoptik, der Atomphysik, der Quantenoptik u.a. angewendet. Für ihre bahnbrechenden Arbeiten zum Kühlen und Speichern von Atomen mit Laserlicht wurden S. Chu, C. Cohen-Tannoudji und W.D. Phillips 1997 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Atomstrahlkühlung: Prinzipieller Aufbau nach Ertmer et al.