Techniklexikon

Ein-Atom-Maser

Laserphysik und -technik, ein Maser, dessen Medium aus nur einem Atom bestehen kann. Mit dem Ein-Atom-Maser lassen sich insbesondere bestimmte Aspekte der Quantenelektrodynamik überprüfen.

In einem Ofen wird ein Strahl aus Alkaliatomen erzeugt und durch eine Blende kollimiert. Durch eingestrahltes Laserlicht lassen sich dann im Atomstrahl gezielt hohe Rydberg-Zustände mit sehr langen Lebensdauern anregen. Die angeregten Atome gelangen in einen Hohlraumresonator, der durch mechanische Deformation im Bereich der Übergangsfrequenz n = (E_n - E_{n - 1})/h der Atome zwischen den zwei Rydberg-Zuständen  ô n ñ  und  ô n - 1 ñ  abgestimmt werden kann. Durch spontane Emission eines Photons kann ein den Hohlraumresonator duchfliegendes Atom in den Zustand  ô n - 1 ñ  übergehen und eine Resonatormode anregen. Die Lebensdauer dieser Resonatormode hängt wesentlich von der Resonatorgüte ab. Durch Kühlung auf eine Temperatur von nur einigen Kelvin werden die Wände des Resonators supraleitend, und die Resonatorgüte steigt auf Werte von Q ³ 10¹⁰. Das entpricht einer Lebensdauer der Resonatormode von mehr als 1 s. Erniedrigt man bei einem derart präparierten Resonator die Dichte des Atomstrahls nun immer mehr, so kann man erreichen, dass sich während der Zeitspanne, die die Atome typischerweise zum Durchfliegen des Resonators brauchen, nur ein einzelnes Atom im Resonator befindet. Bei geeigneter Wahl der kinetischen Energie der Atome im Strahl ist diese Durchflugszeit kleiner als die Lebensdauer der Resonatormode, und man kann bequem die Wechselwirkung des einzelnen Atoms mit dem elektromagnetischen Feld des Resonators untersuchen. Das Atom, das spontan ein Photon emittiert und dadurch die Resonatormode angeregt hat, kann das Photon beispielsweise wieder absorbieren und auf diese Weise in seinen Ausgangszustand  ô n ñ  zurückkehren. Nach dem Verlassen des Resonators wird durch Feldionisation festgestellt, in welchem der Rydberg-Zustände ( ô n ñ  oder  ô n - 1 ñ ) sich die einzelnen Atome befinden. Auf diese Weise konnte nachgewiesen werden, dass im Resonanzfall, wenn also die Rydberg-Übergangsfrequenz und die Resonatormode aufeinander abgestimmt sind, die Wechselwirkung zwischen Atom und Resonatormode die Lebensdauer des Zustands  ô n ñ  verkürzt, und zwar dadurch, dass eine stimulierte Emission angeregt wird, d.h. es kommt zum Maser-Übergang  ô n ñ    ô n - 1 ñ .