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Lexikon der Optik: Atomoptik

Atomoptik, eine sehr junge und sich schnell entwickelnde Disziplin der Atomphysik, in der die Welleneigenschaften der Materie dazu benutzt werden, um "Optik" – in völliger Analogie zur konventionellen (Licht-)Optik – zu treiben. Es handelt sich dabei um eine Weiterentwicklung der Elektronen- und der Neutronenoptik. Die A. beruht auf dem quantenmechanischen Sachverhalt, daß einem mit einer Geschwindigkeit v sich bewegenden Teilchen der Masse m eine Wellenlänge der Größe Λ=h/(mv), die sogenannte de-Broglie-Wellenlänge, zuzuschreiben ist (h Plancksches Wirkungsquantum). Monochromasie bedeutet daher in der A. das Vorliegen einer gut definierten Geschwindigkeit. Dies läßt sich mit Methoden der Laserkühlung (Lichtdruck) erreichen. Um die Wellenlänge nicht zu klein werden zu lassen, müssen die Atome sehr langsam sein. Extrem kleine Geschwindigkeiten lassen sich dadurch erzielen, daß man eine magnetooptische Falle (Lichtdruck) öffnet und die dort eingefangenen Teilchen sich unter der Einwirkung der Schwerkraft bewegen läßt.

Eine wesentliche Voraussetzung für eine A. ist die Verfügbarkeit von Anordnungen, die die Rolle der bekannten optischen Elemente spielen können. Tatsächlich ist dieses Problem zufriedenstellend gelöst worden. So eignet sich als Sammellinse einer der Bäuche einer stehenden (durch einen Spiegel in sich reflektierten) langwelligen Laserwelle. Des weiteren lassen sich mit der modernen Mikrofabrikationstechnologie Fresnelsche Zonenplatten für Atomstrahlen herstellen. Als ein geeigneter Spiegel hat sich die inhomogene (quergedämpfte) Lichtwelle erwiesen, die sich bei der inneren Totalreflexion eines Laserstrahls an der Grenzfläche zwischen einem dielektrischen Medium wie Glas und dem Vakuum in letzterem ausbildet. Als ein Gitter wiederum wirkt eine stehende Laserwelle (Kapitza-Dirac-Effekt), und ein Strahlteiler wird durch eine resonante laufende Laserwelle in Gestalt eines π/2-Impulses (kohärente Wechselwirkung) realisiert. Die Atome werden dann in eine quantenmechanische Superposition des Grundzustandes und des angeregten Zustandes überführt, wobei dem letzteren – dank des bei der Absorption erfolgten Rückstoßes – eine veränderte Ausbreitungsrichtung zukommt.

Mit den genannten atomoptischen Elementen lassen sich im besonderen Atominterferometer verwirklichen. Mit ihnen wurde z.B. der Sagnac-Versuch wiederholt. Die A. ist im Vergleich zur konventionellen Optik deswegen besonders attraktiv, weil die Atome eine Ruhmasse haben, was die Untersuchung von Gravitationseffekten ermöglicht, und überdies innere Freiheitsgrade besitzen, die gezielt angeregt werden können. So wurde z.B. experimentell nachgewiesen, daß spontane Emission der Atome die Sichtbarkeit des Interferenzmusters verschlechtert.

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