Laser für Kühlung

Käfige für kalte Atome und Ionen

Eine der erfolgreichsten Methoden, um einzelne Teilchen zu manipulieren, beruht auf der Kombination von elektromagnetischen Fallen und Laserkühlung.

Ein Mann schaut von hinten in das Innere einer Vakuumkammer.
Blick in eine magnetooptische Atomfalle

Teilchenfallen gibt es in vielen Ausführungen: Ionen fängt man entweder in elektrischen Wechselfeldern mit einer Paul-Falle oder mit Hilfe einer Kombination von elektrischen und magnetischen Feldern (Penning-Falle). Neutralteilchen lassen sich mit magnetischen Feldern, fokussierten Laserstrahlen (Dipolfalle) oder auch mit Hilfe einer Kombination von Magnetfeldern und Laserstrahlen (magnetooptische Falle, MOT) fangen. Insbesondere Ionenfallen wurden schon seit den 50er Jahren des 20. Jahrhunderts erfolgreich eingesetzt. Für ihre Entwicklung wurden Wolfgang Paul und Hans Dehmelt 1989 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Den endgültigen Durchbruch brachte die Entwicklung von Laserkühlverfahren für atomare Gase und Ionen in den 80er Jahren (Nobelpreis 1997 für Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William D.Phillips). Obwohl es zunächst jeder Intuition widersprechen mag, dass man mit Laserstrahlen Atome und Ionen kühlen kann, gelingt es durch geeignete Wahl der Laserintensität und der Verstimmung der Laserfrequenz, Teilchen in großer Zahl bis fast an den absoluten Temperaturnullpunkt abzukühlen. Bei den erreichten Temperaturen im Mikro-Kelvin Bereich bewegen sich die Atome dann noch nicht einmal mit Schrittgeschwindigkeit. Sie lassen sich deshalb leicht einfangen und über lange Zeiträume ungestört beobachten. Wenn die Atome nicht in einer Falle festgehalten werden, dann fallen sie unter dem Einfluss der Gravitation genau so nach unten wie ein makroskopisches Objekt.

Uhren von heute – Uhren für morgen

Ein mögliches und sehr vielversprechendes Einsatzgebiet lasergekühlter Teilchen ist der Bau extrem präziser Uhren. Die besten modernen Uhren beruhen darauf, dass man die Frequenz derjenigen elektromagnetischen Strahlung – Licht oder Mikrowellen – präzise misst, die den quantenmechanischen Zustand spezifischer Atome, Ionen oder Moleküle ändert. Solche Frequenzen kann man um so besser bestimmen, je mehr Zeit man für die Messung zur Verfügung hat – und hier liegt der große Vorteil bei der Verwendung lasergekühlter Teilchen: Sie bewegen sich sehr viel langsamer als ungekühlte Teilchen und verbleiben dadurch entsprechend länger, vielleicht Sekunden statt Millisekunden, in einer Messapparatur gegebener Größe. Ein einzelnes, lasergekühltes und in einer Falle gespeichertes Ion ist in dieser Hinsicht optimal: Im Prinzip steht es beliebig lange für eine Messung zur Verfügung.

Durch Laserkühlverfahren hat man die Ganggenauigkeit von Atomuhren bereits substantiell verbessert: Die neuesten Cäsium-Atomuhren, die bei einer Mikrowellenfrequenz von 9,2 Gigahertz (also 9,2 Mrd. Schwingungen pro Sekunde) arbeiten, verwenden eine „Fontäne“ lasergekühlter Atome. Dabei legen die Atome ihre parabelförmigen Flugbahn in etwa einer Sekunde zurück. Diese Uhren erreichen eine Genauigkeit von 3×10-15, d. h. sie weichen nur eine Sekunde in 100 Millionen Jahren von der exakten Zeit ab und sind damit etwa zehnmal genauer als frühere Cäsium-Atomuhren.

In den nächsten Jahren werden aber noch wesentlich beeindruckendere Verbesserungen erwartet. Inzwischen werden z.B. im MPI für Quantenoptik in Garching mit Hilfe von Femtosekunden-Lasersystemen auch optische Frequenzen (ca. 1014–1015 Hertz) direkt gemessen bzw. mit Mikrowellenfrequenzen verglichen. Atomuhren, die die optischen Übergänge in gespeicherten Ionen wie 199Hg+ oder 171Yb+ ausnutzen, sollten aufgrund der um ein Vielfaches höheren Übergangsfrequenzen und der langen Speicherzeiten eine wesentlich höhere Genauigkeit haben. Angestrebt wird eine tausendfache Erhöhung der bisher erreichten Genauigkeit: Über einen Zeitraum von 10 Milliarden Jahren, also etwa das geschätzte Alter unseres Universums, würde eine solche Uhr nur um eine Zehntelsekunde falsch gehen!

Wozu aber braucht man eigentlich Uhren mit solch beeindruckender Genauigkeit? Zunächst gibt es eine Reihe praktischer Anwendungen wie zum Beispiel die Navigation mittels GPS (Global Positioning System), die Synchronisation von Kommunikationsnetzwerken oder auch, vielleicht überraschend, von Generatoren in Kraftwerken. Die höchsten Anforderungen an die Genauigkeit der Uhren stellen jedoch Experimente zu einigen der fundamentalsten Fragen der Physik – zum Beispiel der, ob die Naturgesetze wirklich unabänderlich sind oder sich mit dem Alter des Universums ändern. Aber auch stark verbesserte Tests der allgemeinen Relativitätstheorie, die grundlegend für unser Verständnis des Universums ist, würden so möglich.

Wie kühlt man mit Licht?

Mehrteilige Grafik mit Kreisen für Atome und geschwungenen Wellenlinien für Licht
Wechselwirkung zwischen Atom und Licht

Die physikalische Grundlage der Kühlung von Atomen mit Laserlicht gehen auf die Arbeiten von Albert Einstein zurück. Er postulierte, dass Licht Teilcheneigenschaften aufweisen kann, und führte Photonen als Lichtteilchen ein. Ein Photon stellt die kleinste Einheit der Lichtenergie dar und besitzt analog zu einem Materieteilchen einen Impuls. Dieser Impuls ist zu klein, um in unserer Alltagswelt in Erscheinung zu treten. Für ein einzelnes Atom mit seiner kleinen Masse, das mit einem Photon wechselwirkt, kann dieser Impuls aber schon zu einer beträchtlichen Geschwindigkeitsänderung führen. Absorbiert zum Beispiel ein Rubidiumatom ein Photon, so ändert sich seine Geschwindigkeit um ungefähr 5 Millimeter pro Sekunde. In ähnlicher Weise erfährt das Atom einen Rückstoß, wenn es ein Photon emittiert. Dieser Emissionsprozess geschieht meist spontan und gleichverteilt über alle Raumrichtungen. Daraus ergibt sich im Mittel eine Änderung der Geschwindigkeit des Atoms. Da die Absorptions- und Emissionsprozesse bis zu zehn Millionen mal in der Sekunde stattfinden können, ist es möglich, ein Atom, das sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt, in nur zwei Hundertstelsekunden auf weniger als Schritttempo abzubremsen.

Grafik: waagerechter Balken als Temperaturskala, Pfeile von oben heben einzelne Werte hervor.
Laser kühlen auf tiefste Temperaturen

Eine Verlangsamung der Atombewegung, das heißt also eine Kühlung, kann mit zwei gegenläufigen Laserlichtfeldern erreicht werden, deren Frequenz geringfügig kleiner ist als die Resonanzfrequenz des zu kühlenden Atoms und die deshalb das ruhende Atom nicht anregen können. Bewegt sich das Atom indes einem der beiden Laserstrahlen entgegen, so erhöht sich vom Atom aus gesehen die Frequenz des Lichtes infolge des Dopplereffekts, so dass es nun Photonen absorbieren kann und damit abgebremst wird. Mit drei Paaren gegenläufiger Strahlen kann die Bewegung in allen drei Raumrichtungen gedämpft werden, und das Atom bleibt in dem Lichtfeld wie in einer Melasse stecken. Mit diesem einfachen Kühlschema können Temperaturen von wenigen 100 Mikrokelvin erreicht werden. Durch kompliziertere Methoden, die die interne Struktur des Atoms berücksichtigen, kann diese Grenze unterschritten werden. Mit Hilfe der sogenannten sub-Doppler-Kühlung erreicht man Temperaturen von einigen Mikrokelvin. Diese Grenztemperatur ist durch den kleinen, mit einem einzelnen Absorptions- und Emissionsprozess verknüpften Photonimpuls gegeben. Doch auch diese Grenze wurde inzwischen schon unterschritten, indem man Quanteninterferenzen gezielt ausgenutzt hat.