Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

32 Kapitel 4. Laserkhlung von Atomen
Grundzustand |g〉, einen kurzlebigen, angeregten Zustand |e〉 und einen metastabilen Zustand
|r〉. Die berggne zwischen den Zustnden |g〉 und |e〉 bzw. |r〉 und |e〉 sind elektrische Dipolbergnge,
zwischen den Zustnden |g〉 und |r〉 gibt es einen elektrischen Quadrupolbergang. Strahlt
man einen starken Laser, der gegenber der atomaren Resonanzfrequenz ω r e um ∆ r blauverstimmt
sei, auf dem bergang |r〉 − |e〉 ein, dann sieht ein zweiter (schwcherer) Laser auf dem
bergang |g〉 − |e〉 mit einer Verstimmung ∆ g ein Fano-frmiges Absorptionsprofil (Abb.4.5b).
Dieses Profil hat ein Minimum (Null) fr eine Verstimmung von ∆ g ≃ ∆ g und ist fr ∆ r ≠ 0
asymmetrisch. Da die Absorption auf dem bergang |g〉 − |e〉 auf Null zurckgeht, wird das
Medium transparent: Man spricht von elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT) oder
einer Dunkelresonanz. Dieser Quanteneffekt ist auch als Coherent Population Trapping bekannt
und wird auch fr eine Form des Subdopplerkhlens benutzt, nmlich fr Velocity Selective
Coherent Population Trapping [120]. Es ist ein quantenmechanischer Interferenzeffekt,
die Auslschung kann man sich durch destruktive Interferenz der beiden Wege in den angeregten
Zustand vorstellen. Auerdem zeigt die Kurve ein breites Maximum bei ∆ g ≃ 0 und
Abbildung 4.5. EIT-Khlen. Abb. entnommen aus [139]
ein schmales Maximum bei ∆ g ≃ ∆ r . Diese Resonanzen entsprechen den sogenannten Dressed
States Durch die vom Kopplungslaser veursachte AC-Starkverschiebung δ, die gegeben
ist als δ = ( √ ∆ 2 r + ∆ 2 g − ∆ r )/2, sind die Maxima etwas verschoben. Bercksichtigt man die
Schwingungsbewegung, so entspricht das Minimum im Absorptionsprofil fr ∆ g = ∆ r gerade
dem bergang |g, n〉 − |e, n〉, so da die Absorption auf dem Trger unterdrckt wird. Whlt man
nun eine geeignete Verstimmung ∆ r > 0 und eine passende Rabifrequenz Ω r so kann man
das Fanoprofil so designen, da das schmale Maximum mit dem roten Seitenband zusammenfllt,
whrend das blaue Seitenband in den Bereich des Profils fllt, wo die Absorptionswahrscheinlickeit
gering ist. Daher absorbieren die Ionen bevorzugt auf dem roten Seitenband und ihre
Bewegungsquantenzahl reduzierte sich. Findet die spontane Emission wieder ohne nderung der
Bewegungsquantenzahl statt 2 , khlt man die Schwingungsbewegung. Um mglichst effizient zu
khlen und die Absorption des Trgers zu eliminieren, whlt man also ∆ g = ∆ r ; δ = ν.
Fr ∆ π = ∆ σ wird kein Licht absorbiert, nur wenn das Ion ein Schwingungsquant beisteuert,
so da die Absorption in die Hellresonanz verschoben wird und die Schwingungsbewegung
gekhlt werden kann.
Worin liegt nun der Vorteil beim Khlen? Bei jeder Form der Khlung mu man gegen konkurrierende
Heizeffekte ankmpfen. Beim oben beschriebenen Seitenbandkhlen ist einer der Heizmechanismen
mit der Absorption auf dem bergang |g, n〉 − |e, n〉 gegeben. Dieser bergang
wird nichtresonant angeregt und beim darauffolgenden spontanen Zerfall kann es zu bergngen
|e, n〉 − |g, n + 1〉 kommen, d.h. die Vibrationsbewegung wird durch die Spontanemission aufgeheizt.
Beim EIT-Khlen wird dieser Heizeffekt unterdrckt, whrend die Absorption auf dem
2 Befindet man sich im Lamb-Dicke Regime so findet die Spontanemission bevorzugt ohne nderung der Bewegungsquantenzahl
statt.