Techniklexikon

Sisyphus-Kühlung

Atom- und Molekülphysik, Kühlmechanismus der Laserkühlung von Atomen, der in bestimmten Formen der optischen Melasse wirksam ist. In Melassen, die aus gegenläufigen Laserstrahlen orthogonaler linearer Polarisation bestehen, führt dieser Kühlmechanismus zu einer Unterschreitung der Doppler-Grenze. Dies war zunächst 1988 experimentell beobachtet und dann theoretisch durch C. Cohen-Tannoudji und S. Chu erklärt worden. Dazu muss die exakte Drehimpulsstruktur des jeweiligen Atoms sowie die quantenmechanische Wechselwirkung des Atoms mit dem Lichtfeld berücksichtigt werden. Die gegenläufigen Laserstrahlen orthogonaler, linearer Polarisation bilden eine stehende Welle, bei der sich die Polarisation auf der Längenskala einer halben Lichtwellenlänge von linear über zirkular s^- auf zirkular s⁺ verändert. Dies führt zu einer räumlich-periodischen Änderung der Energie der atomaren Zustände sowie einer Änderung der Übergangswahrscheinlichkeiten zwischen bestimmten Zuständen mit der gleichen Periodizität. Diese Situation ist in der Abb. dargestellt. Der Kühlmechanismus funktioniert nun folgendermassen: Ein Atom mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt sich im Zustand |1ñ entlang der stehenden Welle. Die Veränderung der Übergangswahrscheinlichkeiten durch das Lichtfeld wirkt derart, dass das Atom im Maximum der Energie des Zustands |1ñ mit der grössten Wahrscheinlichkeit in den Zustand |2ñ optisch gepumpt wird. Da der Zustand |2ñ an dieser Stelle aber ein Minimum hat, verliert das Atom Energie, wird also abgebremst. Nun läuft das Atom von neuem den Potentialberg des Zustands |2ñ hinauf und wird im Maximum wieder in den Zustand |1ñ gepumpt. Das bewegte Atom bewegt sich also ständig einen Potentialberg hinauf, was die Analogie zur griechischen Mythologie nahe legt. Voraussetzung für das Funktionieren dieses Mechanismus ist, dass die Atome schon vorgekühlt sind, so dass deren Bewegung durch das periodische Potential der stehenden Welle ungefähr mit der Rate des optischen Pumpens synchron verläuft.

Sisyphus-Kühlung: Prinzip des Energieverlusts DE durch optisches Pumpen bei der Sisyphus-Kühlung.