Laserkühlung

das Abbremsen von Atomen durch Wechselwirkung mit Laserlicht. Grundlage ist der Impulsübertrag auf die Atome bei der Absorption eines Photons, der gerade dem Impuls des Photons entspricht:

Erreicht man nun, dass schnelle Atome mehr Photonen absorbieren als langsame, so entspricht dies einer Verringerung der mittleren kinetischen Energie des Ensembles von Atomen, d.h. einer Absenkung der Temperatur. Dies geschieht durch Verwendung von Laserstrahlung, deren Frequenz etwas kleiner ist als die Übergangsfrequenz des verwendeten atomaren Übergangs. Atome, deren Geschwindigkeit der Laserstrahlrichtung entgegengerichtet ist, haben dadurch eine höhere Absorptionswahrscheinlichkeit als ruhende Atome. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Atom einen seiner Bewegungsrichtung entgegengerichteten Impulsübertrag erfährt, ist also sehr hoch, d.h. es findet Kühlung statt (Abb.). Die einfachste Anordnung der Laserkühlung besteht aus einem Atomstrahl, dem ein einziger rotverstimmter Laserstrahl entgegengerichtet ist (Atomstrahlkühlung). Besonders interessant wurde die Technik aber durch Verwendung dreidimensionaler Kühlschemata. Dabei wird i.d.R. für jede Raumrichtung ein Paar kollinear gegenläufiger Laserstrahlen gleicher Frequenz verwendet. Durch Kombination mit ortsabhängigen Lichtkräften kann man die Atome ausserdem in einem lokalisierten Volumen fangen (Atom- und Ionenfallen).

Laserkühlung: a) schematische Darstellung des Prinzips der Laserkühlung; b) resultierende Absorptionsrate der Atome bei Verwendung eines rotverstimmten Lasers.