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Nobelpreis für Physik - Kühlung von Gasen mit Laserstrahlen


Licht wird im Alltag gewöhnlich mit Wärme in Verbindung gebracht – man denke etwa an eine heiße elektrische Glühbirne oder an wärmende Sonnenstrahlen. Deshalb mag es auf den ersten Blick merkwürdig erscheinen, daß sich Materie mit Licht kühlen läßt und dabei auch noch weit geringere Temperaturen erreichbar sind als mit gewöhnlichen Kühlaggregaten. Und doch haben es die Arbeiten der diesjährigen Nobelpreisträger für Physik ermöglicht, Gase durch Einwirkung elektromagnetischer Strahlung auf die tiefsten überhaupt im Labor erzielbaren Temperaturen zu bringen.

Die Vorgeschichte dieser wissenschaftlichen Leistung beginnt mit einem prominenten Namen. In einer 1917 veröffentlichten Arbeit zeigte Albert Einstein (1879 bis 1955), daß ein molekulares Gas in einem thermischen Lichtfeld, wie es zum Beispiel von einer Glühbirne ausgesandt wird (weißes Licht also, das alle Spektralfarben enthält), dessen Temperatur annimmt. Der Grund dafür ist, daß die einzelnen Lichtquanten – die Photonen – beim Auftreffen auf ein Molekül nicht nur Energie, sondern auch Impuls übertragen und durch diesen Strahlungsdruck die Geschwindigkeit des Kollisionspartners ändern. Allerdings ist thermisches Licht mit einer hohen Temperatur von einigen tausend Kelvin (Grad Celsius über dem absoluten Temperaturnullpunkt bei -273,15 Grad) verbunden und taugt deshalb in der Tat nicht zum Kühlen.

Die Situation änderte sich jedoch mit der Erfindung des Lasers in den sechziger Jahren, mit dem erstmals eine streng einfarbige Lichtquelle zur Verfügung stand. Dies brachte Arthur L. Schawlow (Nobelpreis 1981) von der Universität Stanford (Kalifornien) und seinen damaligen Mitarbeiter Theodor W. Hänsch (heute an der Universität München) 1975 auf die Idee zu einem überaus wirksamen Kühlverfahren für neutrale Atome.

Ihr Vorschlag war, die Teilchen eines Gases, die bei Zimmertemperatur mit Geschwindigkeiten von einigen tausend Kilometern pro Stunde umherschwirren, von entgegegesetzten Seiten mit zwei Laserstrahlen zu beleuchten, deren Frequenz etwas unterhalb der Absorptionsfrequenz der Gasteilchen liegt. Atome, die sich entgegengesetzt zu einem der beiden Strahlen bewegen, sollten dann durch den Doppler-Effekt (den wir alle zum Beispiel aus dem Straßenverkehr kennen: das auf uns zu kommende Martinshorn klingt höher als das sich entfernende) in Resonanz mit ihm geraten und die Photonen absorbieren. Dabei aber nähmen sie deren Impuls auf und würden abgebremst. Zwar gäben sie das aufgenommene Photon später wieder ab, was mit einem Rückstoß verbunden wäre; da dies aber in einer beliebigen Richtung geschähe, mittle sich der emissionsbedingte Impuls über viele Absorptions-Emissionszyklen hinweg aus.

Mit diesem Verfahren sollten sich nach den Berechnungen von Schawlow und Hänsch Temperaturen von nur einigen hundert Millionstel Kelvin erreichen lassen, was Teilchengeschwindigkeiten von etwa einem Kilometer pro Stunde entspricht. Eine Abkühlung unter dieses sogenannte Doppler-Limit ist nicht möglich, weil die Absorptionsbande eine endliche Breite hat, so daß ruhende und entsprechend langsame Atome das Laserlicht gleichermaßen absorbieren.

Mehrere Forschungsgruppen, darunter maßgeblich diejenige von Phillips, versuchten in der ersten Hälfte der achtziger Jahre diese Idee praktisch umzusetzen. Dabei entwickelten sie zunächst Methoden, die Teilchen eines Atomstrahls mit einem entgegengerichteten Laserstrahl abzubremsen.

Das Hauptproblem bestand darin, die Verringerung des Doppler-Effekts beim Abbremsen der Atome zu kompensieren, so daß diese weiterhin in Resonanz mit dem Laserlicht bleiben. Phillips und seine Mitarbeiter verwendeten ein längs der Bremsstrecke räumlich veränderliches Magnetfeld, das durch den sogenannten Zeeman-Effekt die Energieniveaus der Atome so veränderte, daß die dadurch bedingte Verschiebung der Absorptionsfrequenz genau entgegengesetzt gleich zur Doppler-Verschiebung war. Sie konnten auf diese Weise 1985 erstmals die Atome eines Strahls vollständig abbremsen (siehe "Kühlen und Einfangen von Atomen" von William D. Phillips und Harold J. Metcalf, Spektrum der Wissenschaft, Mai 1987, Seite 64).

Der russische Physiker Wladilen Letochow und seine Mitarbeiter entwickelten dagegen die Technik, die Verringerung der Doppler-Verschiebung während des Abbremsens durch kontinuierliches Erhöhen der Frequenz des Laserstrahls auszugleichen. John L. Hall und seine Mitarbeiter am National Institute of Standards and Technology der USA in Boulder (Colorado) konnten mit dieser "Chirp-Methode" (nach dem englischen Wort für zirpen oder zwitschern) 1985 ebenfalls Atome stoppen.

Im selben Jahr gelang Chu und seinen Mitarbeitern auch eine dreidimensionale Realisierung der Idee von Hänsch und Schawlow. Dabei bremste die Forschergruppe aus Stanford Atome eines Natriumstrahls zunächst mit der Chirp-Methode ab und fing sie dann in einem Lichtfeld ein, das aus der Überlagerung von sechs Laserstrahlen bestand – drei senkrecht zueinander angeordneten Paaren jeweils aufeinander zulaufender Strahlen (Bild). Die Forscher vermochten auf diese Weise etwa 100000 Atome auf 0,2 tausendstel Kelvin abzukühlen, was ungefähr mit dem berechneten Doppler-Limit für Natrium übereinstimmte.

Da sich die Atome unter dem Einfluß des Lichts wie in einem viskosen Medium bewegen, nannten die Wissenschaftler ihre gekühlten Atomensembles "optische Sirups". Die Teilchen sind dabei allerdings keineswegs gespeichert und sinken unter dem Einfluß der Gravitation langsam ab, so daß der erste solche Sirup nur etwa eine zehntel Sekunde lang Bestand hatte.

Der nächste Meilenstein war folgerichtig die Entwicklung einer magneto-optischen Falle, die heute Startpunkt fast aller Experimente mit kalten Atomen ist. Dies gelang David Pritchard zusammen mit Chu und anderen im Jahre 1987 (siehe "Einschluß neutraler Teilchen mit Laserstrahlen" von Steven Chu, Spektrum der Wissenschaft, April 1992, Seite 68). Entsprechend einem Vorschlag von Jean Dalibard von der École Normale Supérieure in Paris kombinierten sie einen optischen Sirup aus zirkular polarisierten Laserstrahlen mit einem schwachen vierpoligen Magnetfeld, das die Absorptionsfrequenz der Atome aufgrund des Zeeman-Effekts immer gerade so verstimmt, daß sie durch resonanten Lichtdruck aus dem Magnetfeld herausgetrieben und in der Nähe des magnetischen Nullpunkts festgehalten werden. Dabei machten sich die Forscher zunutze, daß Laserstrahlen nicht nur einfarbig (monochromatisch), sondern auch polarisiert sind: Der elektrische (oder magnetische) Feldvektor schwingt in einer Ebene (lineare Polarisation) oder rotiert im oder entgegen dem Uhrzeigersinn (zirkulare Polarisation).

Etwa zur selben Zeit entwickelten Phillips und seine Mitarbeiter genauere Methoden, die Temperatur in optischen Sirups zu bestimmen. Damit maßen sie 1988 zur allseitigen Überaschung Werte, die deutlich unterhalb des Doppler-Limits lagen. Schon ein Jahr später vermochten Dalibard und Cohen-Tannoudji sowie Chu und seine Mitarbeiter diesen unerwarteten Befund zu erklären. Demnach war bis dahin nicht beachtet worden, daß der elektronische Grundzustand der verwendeten Alkaliatome entartet ist, das heißt aus einer Anzahl von Subniveaus gleicher Energie besteht. Diese werden durch Wechselwirkung mit Licht je nach dessen Polarisation verschieden stark energetisch verschoben. Zugleich hängt auch die Besetzung der Niveaus von der Lichtpolarisation ab.

Beide Effekte verbinden sich in einem Lichtfeld mit räumlich veränderlicher Polarisation zu einem neuen raffinierten Kühlmechanismus, der zwar nur für bereits stark abgebremste Atome greift, für diese aber viel effizienter ist als die Doppler-Kühlung. Dabei laufen die Atome, vereinfacht gesagt, durch ihre Bewegung einen Potentialberg hinauf, absorbieren dort ein Photon und senden ein etwas energiereicheres Lichtquant aus, was sie zurück in das nächste Potentialtal befördert. Der Energiebetrag, den das Erklimmen des Potentialbergs gekostet hat, wird somit optisch abgeführt und der Bewegungsenergie des Atoms entzogen. Der Vorgang wiederholt sich so oft, bis das Teilchen zu langsam geworden ist, um noch auf den nächsten Potentialberg zu gelangen (siehe Kasten auf Seite 16).

Die Analogie zu den Bemühungen des mythischen griechischen Helden, der als Strafe für seine Vergehen in der Unterwelt immer wieder vergeblich einen Felsen einen Berg hinaufrollen muß, hat die Forscher um Cohen-Tannoudji dazu veranlaßt, den neuen Mechanismus als Sisyphus-Kühlung zu bezeichnen. Es zeigte sich bald, daß man damit an ein weiteres fundamentales Temperaturlimit gelangt: die sogenannte Rückstoßgrenze, die der bei der Absorption eines einzigen Photons auf ein Atom übertragenen Rückstoßenergie entspricht. Typischerweise liegt sie zwei Größenordnungen unterhalb des Doppler-Limits.

Anfang der neunziger Jahre gelang es den Pariser Gruppen um Cohen-Tannoudji und Gilbert Grynberg, dem Team von Phillips sowie Hänsch und mir selbst an der Universität München, Lichtfelder mit maßgeschneiderten räumlichen Polarisationsmustern zu erzeugen, in denen die Atome so kalt werden, daß sie in den Intensitätsmaxima hängenbleiben und geordnete periodische Strukturen ausbilden (siehe meinen Beitrag "Kristalle aus lichtgebundener Materie", Spektrum der Wissenschaft, April 1997, Seite 32). In solchen optischen Kristallen wurden Temperaturen von weniger als einem Millionstel Kelvin gemessen.

Ist das Rückstoßlimit mit optischen Kühlverfahren prinzipiell nicht unterschreitbar? Zunächst scheint es so, weil bei jedem solchen Verfahren unweigerlich Photonen spontan emittiert werden müssen, die einen in seiner Richtung nicht kontrollierbaren Kraftstoß ausüben. Dies läßt sich jedoch umgehen, wenn man solche Atome, die nach einem spontanen Emissionsvorgang zufällig eine Geschwindigkeit nahe null aufweisen, aus dem Kühlprozeß herausnimmt.

Schon in den siebziger Jahren hatten italienische Physiker festgestellt, daß sich Alkaliatome durch Lichteinwirkung in bestimmte Quantenzustände (sogenannte Dunkelzustände) pumpen lassen, die nicht mehr mit dem Licht wechselwirken (siehe Kasten auf Seite 16). Zusammen mit Ennio Arimondo von der Universität Pisa vermochten Cohen-Tannoudji und sein Mitarbeiter Alain Aspect experimentell und theoretisch zu zeigen, daß der Doppler-Effekt dafür sorgt, daß tatsächlich nur die langsamsten Teilchen solche Dunkelzustände einnehmen können.

In einer Serie von Experimenten mit Heliumatomen erreichten die Forscher bereits 1988 in einer und dann 1995 auch in zwei und drei Dimensionen Temperaturen, die das Rückstoßlimit von 4 millionstel Kelvin für Helium deutlich unterboten; im letzten Fall war das Gas nur 0,18 millionstel Kelvin "warm". Inzwischen sind neue Verfahren hinzugekommen, zu denen insbesondere die von Marc Kasevich und Chu 1992 erstmals demonstrierte Raman-Kühlung gehört.

Die Techniken zum optischen Abbremsen und Speichern von Atomen ermöglichen eine Fülle von Anwendungen, deren Perspektiven noch kaum absehbar sind. So werden optische Sirups und magneto-optische Fallen bei der nächsten Generation extrem präziser Atomuhren eine wichtige Rolle spielen. Optische Kristalle könnten die Basis einer Lithographie mit kalten Atomen bilden. Die Interferometrie mit lasergekühlten Atomensembles eröffnet Aussichten auf neuartige Instrumente, mit denen sich Schwerkraft und Beschleunigung noch präziser als bisher messen ließen.

Nicht zuletzt wären viele Experimente zum besseren Verständnis der Quantenphysik ohne die von den diesjährigen Nobel-Laureaten maßgeblich mitentwickelten Kühl- und Speichertechniken nicht durchführbar gewesen. Ein besonders prominentes Beispiel ist die jüngst erstmals realisierte Bose-Einstein-Kondensation atomarer Gase zu einem makroskopischen Quantensystem, das einen gemeinsamen Zustand einnimmt und entsprechend exotische Eigenschaften aufweist (Spektrum der Wissenschaft, September 1995, Seite 32, und November 1996, Seite 16). Außerdem konnten fundamentale Konzepte der Quantenphysik von Festkörpern wie das der Bloch-Oszillationen erstmals in optischen Kristallen einwandfrei experimentell überprüft werden. Dabei handelt es sich um die bemerkenswerte Tatsache, daß Quantenteilchen in einem periodischen Potential auf eine zusätzliche konstante Kraft unter gewissen Umständen mit einer oszillierenden Bewegung reagieren. Die Kühlung und Speicherung von Atomen mit Laserlicht hat dazu beigetragen, daß wir die Welt der Quantenphysik heute mit einer Präzision untersuchen können, die noch vor kurzem jenseits des Vorstellbaren lag.

Kasten: Sisyhus-Kühlung und Dunkelzustände

Das einfachste atomare Niveau-Schema, mit dem Sisyphus-Kühlung möglich ist, besteht aus einem Grundzustand mit zwei und einem angeregten Zustand mit vier energetisch gleichwertigen (entarteten) Niveaus, die sich in ihrer magnetischen Quantenzahl m unterscheiden und als Zeeman-Komponenten bezeichnet werden (a). Je nach Lichtpolarisation wird das Atom mit verschiedener Wahrscheinlichkeit aus den beiden Niveaus des Grundzustands in die vier angeregten Niveaus angehoben (Auswahlregeln). Mit linkszirkular polarisiertem Licht geschieht die Anregung ausschließlich entlang der nach links geneigten, mit rechtszirkular polarisiertem entlang der nach rechts geneigten Pfeile. Die Dicke der Pfeile gibt die Wahrscheinlichkeit für den jeweiligen Übergang an.



Mit jeder Anregung ist auch eine energetische Verschiebung der beteiligten Niveaus verbunden. Die Größe dieser Lichtverschiebung hängt von der Polarisationsrichtung ab und ist proportional zur Anregungswahrscheinlichkeit. Für linkszirkulare Polarisation ist somit das linke Grundzustandsniveau (m=-1/2) stärker verschoben als das rechte (b). Atome können durch Anregung (gerade Pfeile) und anschließende spontane Emission eines Photons (geschlängelte Pfeile) ihr Grundzustandsniveau wechseln. Für linkszirkulare Polarisation landet ein Atom nach wenigen solchen Zyklen von Anregung und Emission mit hoher Wahrscheinlichkeit im linken Zeeman-Niveau; denn von dort kann es durch keinen Absorptions-Emissions-Prozeß entkommen. Das Analoge gilt für rechtszirkulare Polarisation. Die Physiker bezeichnen diesen Vorgang als optisches Pumpen.



Das Sisyphus-Kühlen beruht auf einem Zusammenspiel von Lichtverschiebung und optischem Pumpen, durch das die Atome für jeden Polarisationstyp immer unter Energieabstrahlung in das jeweils energetisch tiefstgelegene lichtverschobene Zeeman-Niveau befördert werden. Um das zu verstehen, betrachten wir eine stehende Lichtwelle, deren Polarisation zwischen rechts- und linkszirkular alterniert (unterer Teil von c). Eine solche Welle erhält man, indem man zwei linear polarisierte Laserstrahlen mit um 90 Grad verdrehter Polarisationsebene gegeneinanderrichtet. Unter dieser Bedingung variiert die Lichtverschiebung der Zeeman-Niveaus des Grundzustands längs der Stehwelle in Form einer Sinuskurve, wobei die Kurven für die beiden Zeeman-Komponenten um 180 Grad gegeneinander verschoben sind (oben in c).



Betrachten wir nun ein Atom im linken Zeeman-Niveau (m=-1/2), welches sich im äußerst links gelegenen Potentialtal befindet und sich nach rechts bewegt. Es muß zunächst einen Potentialberg erklimmen und verliert dabei Geschwindigkeit. Je höher es hinaufgelangt, desto größer wird die Wahrscheinlichkeit, daß es (gemäß der Situation in b) durch einen Absorptions-Emissions-Vorgang in das tiefer liegende rechte Zeeman-Niveau (m=+1/2) überwechselt. Dabei wird die beim Erklettern des Potentialgipfels angesammelte potentielle Energie an das Lichtfeld abgegeben; denn die Frequenz des absorbierten Photons ist kleiner als die des emittierten.



Wenn sich das Atom weiterbewegt, muß es unweigerlich den nächsten Potentialberg ersteigen, und das Spiel beginnt von vorne. Dieser Zyklus wiederholt sich so lange, bis das Teilchen zu langsam geworden ist, um noch Gipfel erklimmen zu können, und in einem Tal gefangen bleibt.



Da das Atom aber weiterhin Photonen absorbieren und emittieren kann, behält es eine endliche mittlere Geschwindigkeit, die dem Rückstoß bei der Abgabe eines Lichtquants entspricht. Bei bestimmten atomaren Niveau-Schemata – etwa einem, das je drei Zeeman-Komponenten im Grundzustand und im angeregten Zustand aufweist (d) – kann das Teilchen durch Anregung und nachfolgen-



de spontane Emission allerdings in ein Grundzustandsniveau (hier das äußerst linke mit m=-1) gelangen, in dem es keine Strahlung aus dem Lichtfeld in seiner Umgebung mehr zu absorbieren vermag.



Solche sogenannten Dunkelzustände gibt es für jede Lichtpolarisation. Dabei erweist sich als günstiger Umstand, daß in Lichtfeldern mit räumlich veränderlicher Polarisation nur ruhende Atome vollständig vom Strahlungseinfluß abgekoppelt werden. Dies liegt daran, daß bewegte Teilchen zwangsläufig in Bereiche des Lichtfeldes mit anderer Polarisation geraten, in denen sie wieder Photonen absorbieren können. Durch Überführen von Atomen in Dunkelzustände läßt sich die Temperatur eines Gases auch unter das Rückstoßlimit absenken.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1997, Seite 14
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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