Volltext - Fachbereich Physik - Universität Hamburg

Einleitung 5
Quantenoptische Experimente beinhalten meist die Wechselwirkung eines Lichtfeldes
mit einer Gesamtheit von Atomen oder Molekülen. Ist das Lichtfeld nahresonant zu
einem atomaren Übergang, wird das Lichtfeld gestreut; das Atom wird zur
Resonanzfluoreszenz angeregt. Durch Nachweis und zeitliche oder spektrale Analyse
des gestreuten Lichtfeldes kann auf die Lage der atomaren Energieniveaus, die
Bewegung der Atome oder die Qualität der Wechselwirkung mit dem Lichtfeld
geschlossen werden. Messungen an atomaren Gesamtheiten haben stets statistischen
Charakter, d.h. es werden Ensemblemittelwerte gemessen, die nur beschränkte
Aussagekraft für das einzelne Teilchen haben. Im Gegensatz zu Messungen an
Gesamtheiten kann bei Messungen an einzelnen Atomen der vollständige
mikroskopische Zustand des Systems ermittelt werden. Fortwährende Beobachtung
liefert die vollständige Information über die Entwicklung eines bestimmten
Freiheitsgrades des einzelnen Atoms. Derartige Messungen werden als selektiv
bezeichnet [GAG92]. Messungen an Gesamtheiten sind notwendigerweise nicht-
selektiv. Zum Beispiel weist die Resonanzfluoreszenz eines einzelnen Atoms durch
Quantensprünge verursachte Hell- und Dunkelzeiten auf. Da die Wechsel zwischen
Hell- und Dunkelzeiten stochastisch auftreten, mitteln sie sich bei der
Fluoreszenzmessung an einer Gesamtheit heraus.
Bei Messungen an atomaren Gesamtheiten begrenzen die Bewegung der Atome und die
Stöße untereinander die spektrale Auflösung durch Doppler- und Stoßverbreiterung.
Wenn auch der Doppler-Effekt erster Ordnung durch Verwendung spezieller
Spektroskopiemethoden überwunden werden kann, z.B. Sättigungsspektroskopie oder
Atomstrahlverfahren, so verbleiben bei der Spektroskopie an Gesamtheiten doch stets
noch mehrere Verbreiterungsmechanismen: Die Stoßverbreiterung, der auf die
Zeitdilatation zurückzuführende relativistische Doppler-Effekt sowie die
Flugzeitverbreiterung, die ihren Ursprung in der begrenzten Wechselwirkungsdauer hat.
Mit der Präparation eines einzelnen Ions in einer Paul-Falle [PAU58] können diese
Verbreiterungsmechanismen deutlich reduziert werden. Das Ion wird im Hochvakuum
elektrodynamisch gespeichert. Durch optische Kühlung kann die Bewegungsenergie auf