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Lexikon der Physik: optische Melasse

optische Melasse, optical molasses, optischer Sirup, Anordnung von Laserstrahlen bestimmter Frequenz und Polarisation, die auf Atome einer bestimmten Spezies eine geschwindigkeitsabhängige Reibungskraft ausübt, so daß diese sich wie in einer zähen Flüssigkeit bewegen. Grundlage der Kraftwirkung ist nahezu resonante Lichtstreuung. Ein Aufbau zur Realisierung einer eindimensionalen Melasse ist in Abb. 1 gezeigt: Zwei kollinear gegenläufige Laserstrahlen unterschiedlicher zirkularer Polarisation werden in eine atomare Probe eingestrahlt, die Frequenz ist rotverstimmt gegenüber einem atomaren Übergang des Atoms. Auf Grund der Doppler-Verschiebung der Resonanzlinie von bewegten Atomen hat ein Atom, welches sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf einen der Laserstrahlen zubewegt, eine höhere Absorptionswahrscheinlichkeit für Photonen aus dem Laserstrahl als ein ruhendes Atom. Der Absorptionsprozeß ist mit einem Impulsübertrag auf das absorbierende Atom verbunden, was wiederum eine Kraftwirkung zur Folge hat (Laserkühlung). In Abb. 2 ist die Kraft auf die Atome als Funktion ihrer Geschwindigkeit in Richtung der Laserstrahlen aufgetragen. Gestrichelt gezeichnet sind die Beiträge der einzelnen Strahlen, die durchgezogene Linie ist die Summe der Kräfte, also die effektive Kraft auf die Atome. In der Umgebung von vAtom = 0 ist diese Kraft proportional zur Geschwindigkeit, was die Signatur einer Reibungskraft ist. Eine solche Kraft bremst die Atome im Prinzip bis v = 0 ab. Da der Impulsübertrag aber diskret ist und die Atome bei der spontanen Reemission wieder Geschwindigkeit aufnehmen, existiert eine bestimmte Grenztemperatur, bis zu der die Atome abgekühlt werden können. Diese Grenztemperatur wird als Doppler-Grenze bezeichnet. Für Na-Atome beispielsweise liegt diese Grenze bei 240 μK. Sie stellt allerdings keine absolute Untergrenze für die Temperatur lasergekühlter Atome dar. In optischen Melassen sind Prozesse wirksam, die tiefere Temperaturen erlauben (Polarisationsgradientenkühlung, Sisyphuskühlung). Typische Experimente mit optischen Melassen nutzen allerdings die Erweiterung des oben erläuterten Schemas auf drei Dimensionen. Dies geschieht durch Verwendung je eines Paares von Laserstrahlen für jede Raumrichtung. In derartigen Experimenten lassen sich inzwischen Temperaturen von wenigen μK z.B. für die meisten Alkalimetalle erreichen, was die Methode attraktiv für viele Anwendungen in der Atomspektroskopie, der Atomoptik oder der Quantenoptik macht.



optische Melasse 1: Prinzip einer eindimensionalen optischen Melasse.



optische Melasse 2: Kraftwirkung auf Atome in einer optischen Melasse. Die Geschwindigkeit ist in Einheiten der natürlichen Linienbreite des verwendeten Übergangs des Atoms aufgetragen.

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Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
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Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
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Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
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Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
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Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
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Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
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Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
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Prof. Dr. Siegmar Roth, Stuttgart [SR] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
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Prof. Dr. Klaus Andres, Garching [KA] (A) (10)
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Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
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Dr. Dietrich Einzel, Garching (A) (Essay Supraleitung und Suprafluidität)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
Dr. Anton Lerf, Garching [AL1] (A) (23)
Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
Dr. Ursula Resch-Esser, Berlin [URE] (A) (21)
Dr. Peter Oliver Roll, Ingelheim [OR1] (A, B) (15)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
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Prof. Dr. Erhard Scholz, Wuppertal [ES] (A) (02)
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