Techniklexikon

Raman-Kühlung

Atom- und Molekülphysik, Mechanismus der Laserkühlung, der es erlaubt, Temperaturen deutlich unterhalb der Doppler-Grenze zu erreichen. Man unterscheidet grundsätzlich Raman-Kühlung freier Atome in einer optischen Melasse und Raman-Kühlung gebundener Atome oder Ionen in optischen Gittern oder Ionenfallen (Atom-und Ionenfallen). Das Grundprinzip aller dieser Mechanismen ist in Abb. 1 dargestellt. Atome aus dem Zustand  werden in einen reellen oder virtuellen Zwischenzustand  angehoben und zerfallen von dort in einen Zustand , der energetisch tiefer liegt als Raman-Kühlung">. Die gesamte Energiebilanz ist also derart, dass das Teilchen Energie verliert, also gekühlt wird.

Bei Raman-Kühlung freier Atome werden Atome, die durch einen solchen Übergang in die Geschwindigkeitsklasse v = 0 übergehen, in einen sog. dunklen Zustand überführt, in dem das Atom keine Photonen mehr absorbiert. Dadurch bleibt das Atom in dieser Geschwindigkeitsklasse, sofern es nicht Stösse mit anderen Atomen erfährt. Da sich auf diese Weise immer mehr Atome in dieser Geschwindigkeitsklasse ansammeln, findet effektiv Kühlung des Ensembles statt.

Bei Raman-Kühlung gebundener Teilchen spielen die Schwingungsniveaus der Teilchen im bindenden Potential ein Rolle (Molekülspektroskopie). Das Prinzip, das auch als Raman-Seitenbandkühlung bezeichnet wird, ist optisches Pumpen der Teilchen in ein niedrigeres Schwingungsniveau, was ebenfalls zur Kühlung des Ensembles führt (siehe Abb. 2). Bei Atomen in optischen Gittern können dazu z.B. die magnetischen Unterzustände eines Atoms durch ein Magnetfeld so verschoben werden, dass effektiv Kühlung stattfindet.

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Raman-Kühlung 1: Prinzip der Raman-Kühlung durch Laseranregung und anschliessende Emission in einen energetisch tiefer liegenden Zustand.

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Raman-Kühlung 2: Raman-Seitenbandkühlung gebundener Atome durch optisches Pumpen in tiefere Schwingungsniveaus: Ein Atom wird durch Absorption eines Laserstrahls aus einem Niveau des Schwingungsspektrums eines bestimmten elektronischen Zustands in einen anderen elektronischen Zustand angehoben. Die nachfolgende stimulierte Emission kann unter bestimmten Umständen in einem tieferen Schwingungsniveau eines weiteren elektronischen Zustands enden.