Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

Kapitel 4
Laserkhlung von Atomen
Vor ungefhr 25 Jahren schlugen unabhngig voneinander Hnsch und Schalow [103] sowie Wineland
und Dehmelt [199] die Methode des Laserkhlens vor. Dabei nutzt man Lichtkrfte auf
Atome aus, um diese abzubremsen. Durch geeignete Wahl der Parameter wie z.B. der Verstimmung
des Lasers gegenber der atomaren Resonanz kann man so effizient Atome mit Hilfe von
Laserlicht khlen. Experimentell hat man solche Krfte von Licht auf Atome bereits frher anhand
der Ablenkung von Atomstrahlen durch Licht beobachtet. So beobachtete beispielsweise
Frisch [82] 1933 die Ablenkung eines Atomstrahls um 0,01mm durch eine Na-Dampf-Lampe.
Khlen von Atomstrahlen wurde erstmals 1982 von Metcalf und Phillips [153] demonstriert.
Sie haben einen Alkali-Atomstrahl, der aus einem Ofen erzeugt wurde, abgebremst. Eine Vielzahl
weiterer erfolgreicher Demonstrationen des Khlens folgte alsbald. Durch die erfolgreiche
Anwendung des Laserkhlens wurde die Basis fr eine Vielzahl moderner Experimente geschaffen.
Durch die Verwendung kalter Atome konnte die Przision in vielen Messungen wesentlich
gesteigert werden oder ganz neue Phnomene beobachtet werden. Hier ist besonders die
Bose-Einstein-Kondensation [9, 42, 57] zu nennen. Die Przision in der Spektroskopie konnte
in neue Dimensionen vordringen, da die Limitierung der erreichbaren Genauigkeit in spektroskopischen
Messungen durch den Dopplereffekt berwunden werden konnte. Der Dopplereffekt
kann bei Atomen auf Raumtemperatur zu Linienbreiten fhren, die bis zu drei Grenordnungen
ber der natrlichen Linienbreite liegen. Zwar erlaubten auch vor Einfhrung der Laserkhlung einige
trickreiche Methoden wie z.B. die 2-Photonen-Spektroskopie oder Laser-Mikrowellen-
Doppelresonanzmessungen [197] die Eliminierung des Dopplereffekts 1.Ordnung, aber der
Dopplereffekt 2. Ordnung blieb als Limit bestehen. Er lt sich nur reduzieren, wenn man die
Geschwindigkeit der Atome verringert, indem man mit gekhlten Atomen arbeitet. Als Beispiel
fr die Leistungsfhigkeit der 2-Photonen-Spektroskopie mu man die Spektroskopie an Wasserstoff
erwhnen. Hier sind vor allem die Arbeiten der Gruppen von Hnsch [187] und Biraben
[177] zu nennen. Hnsch hat aus der Messung des 1s-2s-bergangs und Biraben aus der Messung
des 2s-8s-bergangs die Rydberg-Konstante auf 10 −12 bestimmt.
Auch fr Ionenfallen hat das Laserkhlen neue Dimensionen erffnet. Die Beobachtung von
einzelnen Ionen in Ruhe [145] oder die Erzeugung von Ionenkristallen [66] wurde so mglich.
Laserkhlen ist eine der effektivsten Khlmethoden und relativ einfach umsetzbar, allerdings
begrenzt die Notwendigkeit eines geeigneten Niveauschemas die Anwendbarkeit nur auf bestimmte
atomare Systeme. Mit dem einfachsten Verfahren des Dopplerkhlens kann man Temperaturen
in der Grenordnung von wenigen mK erreichen. Es ist blich die Bewegungsenergien
als Temperatur anzugeben, auch wenn der Begriff der Temperatur im strengen Sinne nicht
immer korrekt ist. Es gibt mittlerweile eine Vielzahl von verfeinerten Laserkhlverfahren wie
z.B. das polarisation gradient cooling [115] oder Velocity Selective Coherent Population Trapping
[120], die es erlauben noch niedrigere Temperaturen im Mikrokelvin-Bereich zu erreichen.
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