Techniklexikon

Zeeman-Kühlung

Atom- und Molekülphysik, Verfahren zum Abbremsen eines Atomstrahls mit Hilfe von Laserlicht. Die 1982 von Nobelpreisträger W.D. Phillips und H. Metcalf entwickelte Zeeman-Kühlung beruht auf der Kompensation der Doppler-Verschiebung des Laserlichts durch die Zeeman-Verschiebung der Energieniveaus (Zeeman-Effekt) in einem inhomogenen Magnetfeld. Voraussetzung für die effiziente Laserkühlung eines Atomstrahls ist die wiederholte Absorption von Photonen aus einem dem Atomstrahl entgegengerichteten Laserstrahl. Die Frequenz des Laserlichts  muss daher im Ruhesystem der Atome mit der atomaren Resonanzfrequenz  übereinstimmen:  ( ist der Wellenvektor des Lichts und  die Geschwindigkeit des Atoms). Das Skalarprodukt  ist die Frequenzverschiebung durch den Doppler-Effekt und trägt der Frequenzverschiebung des Lichts im Ruhesystem des Atoms Rechnung. Mit abnehmender Geschwindigkeit der Atome verringert sich die Frequenzverschiebung durch den Doppler-Effekt. Bei der Zeeman-Kühlung wird die atomare Resonanzfrequenz mit Hilfe eines räumlich variablen Magnetfeldes der abnehmenden Doppler-Verschiebung angepasst. Auf diese Weise lassen sich Atome mit thermischen Geschwindigkeiten von einigen hundert m / s auf einige cm / s abbremsen. Das Abbremsen eines Atomstrahls ist häufig die Vorstufe zum Einfang von Atomen in einer magneto-optischen Atomfalle, die auf einem ähnlichen Prinzip beruht wie die Zeeman-Kühlung.