Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

24 Kapitel 4. Laserkhlung von Atomen
Diese liegen unterhalb des Doppler- und des Einphoton-Rckstolimits [16]. Vor kurzem wurde
beispielsweise mit Laserkhlen auf einem verbotenen bergang eine Temperatur von 6µK fr
Ca-Atome erreicht [30]. Die niedrigsten Temperaturen erreicht man natrlich in Bose-Einstein-
Kondensaten [57]. Solche kalten Atome kann man in magnetischen oder optischen Fallen speichern.
Deren geringe Topftiefe erlaubt nur die Speicherung niederenergetischer Atome, so da
die Khlung eine Voraussetzung fr diese Fallen war. Das Spektrum der verwendeten Fallen reicht
dabei von der magnetooptischen Falle (MOT), die nach ihrer erfolgreichen Demonstration 1987
[158] mittlerweile schon zum Standardinstrument avanciert ist, ber rein magnetische Fallen
[134] bis hin zu Dipolfallen [56]. Man hat also mittlerweile umfangreiche Mglichkeiten kalte
Atome und Ionen fr Experimente zur Verfgung zu stellen. Die groe Vielfalt an bedeutenden
Entwicklungen im Bereich des Laserkhlens wurde durch den Nobelpreis 1997 fr S. Chu, W.
Philips und C. Cohen-Tannoudji gewrdigt.
4.1 Methoden zur Laserkhlung gespeicherter Atome
In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Methoden, die fr die Laserkhlung von Ca + -Ionen
relevant sind, diskutiert. Eine ausfhrliche Beschreibung des Laserkhlens findet sich in vielen
Publikationen und Lehrbchern - exemplarisch sei hier auf [51, 54, 154] verwiesen. Im Gegensatz
zu dem in Lehrbchern meist behandelten Modellfall, dem Khlen freier Atome, ergeben sich
beim Khlen gespeicherter Teilchen durch den Einflu des Speicherpotentials einige Besonderheiten.
Diese sollen vorgestellt werden. Fr in (harmonischen) Fallen gespeicherte Teilchen kann
man dabei abhngig von Ihrer Bewegung im Wesentlichen zwei Flle unterscheiden. Zum einen
das sogenannte Weak-binding, das vorliegt, wenn die Linienbreite Γ des Khlbergangs gro gegen
die Fallenfrequenz ω ist. Dann ist die Geschwindigkeit whrend vieler Zyklen praktisch konstant
und die Situation ist analog zum Dopplerkhlen eines (freien) Atomstrahls. Zum anderen gibt es
das Strong-binding, das fr Γ < ω vorliegt. Dann treten aufgrund der periodischen Bewegung
der Teilchen in der Falle Seitenbnder im Absorptionsspektrum auf. Das Teilchen sieht aufgrund
seiner sinusfrmigen Schwingung in seinem Ruhesystem einen frequenzmodulierten Laser. Die
Unterschiede beim Khlen in diesem Regime - dem sogenannten Seitenbandkhlen - werden im
Abschnitt 4.1.2 diskutiert.
4.1.1 Dopplerkhlen
Die einfachste Form des Laserkhlens ist das Dopplerkhlen freier Atome. Es ist z.B. beim
Khlen von Atomstrahlen realisiert. Beim Dopplerkhlen nutzt man die Lichtkrfte aus, die ein
Atom bei der Absorption und Emission eines Photons erfhrt, um eine geschwindigkeitsabhngige
Reibungskraft zu erzeugen. Die Khlkraft resultiert aus dem Impulsbertrag der Photonen
auf das Atom. Bei jeder Absorption eines Photons erfhrt das Atom einen Impulsbertrag von
∆ −→ p = −→ k . Wenn man nun bewerkstelligen kann, da das Atom bevorzugt Photonen absorbiert,
die sich auf dieses zu bewegen, so kann man das Atom damit abbremsen. 1 Da der Impulsbertrag
pro Ereignis jedoch sehr gering ist, bentigt man viele wiederholte Absorptionen. Das Verfahren
kann aber nur funktionieren, wenn die spontane Emission das Atom nicht wieder aufheizt.
Bei der spontanen Emission eines Photons nimmt das Atom ja den Rckstoimpuls von k auf,
der das Atom beschleunigt. Da die spontane Emission allerdings isotrop ist, verschwindet der
1 Man sollte hier die Begriffe abbremsen und khlen kurz differenzieren. Unter Khlen versteht man die Reduktion
der Breite der Geschwindigkeitsverteilung eines Ensembles von Atomen. Die Verringerung der Geschwindigkeit
eines Atoms wird als Abbremsen bezeichnet.