Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

4
Kühlung
von atomaren Gasen und
Fallen für neutrale Teilchen
4.1 Doppler - Kühlung
Wahrscheinlich war Johannes Kepler 1619 der erste, der den Vorschlag vorbrachte, daß
Licht eine mechanische Kraft ausüben könnte. Damit versuchte er zu erklären, warum der
Schweif eines Kometen immer entgegengesetzt zur Sonne ausgerichtet ist. Er glaubte, das
Phänomen sei durch einen Druck beschreibbar, der vom Licht der Sonne hervorgerufen
wird. Genauere Studien zu diesem Thema kamen beispielsweise 1873 von James C. Maxwell,
der seine Gleichungen dazu verwendete, einen Druck herzuleiten, der von einer elektromagnetischen
Welle herrührt. Seine Ergebnisse wurden zur Jahrhundertwende von Lebedev,
Nicols und Hull experimentell verifiziert [2].
Albert Einstein veröffentlichte 1917 einen Artikel, in dem er zeigte, daß ein molekulares
Gas, das der Maxwell-Boltzmann Statistik gehorcht, in einem thermischen Lichtfeld (weißes
Licht) dessen Temperatur annimmt. Der Grund dafür ist, daß die einzelnen Photonen
mit der Wellenlänge λ beim Auftreffen auf ein Molekül nicht nur Energie E = hν, sondern
auch einen Impuls p = h/λ übertragen und durch diesen Strahlungsdruck die Geschwindigkeit
des Kollisionspartners ändern. Der Photonenimpuls in Ausbreitungsrichtung des
Lichts wird mit dem Wellenvektor k zu p = ~k. 1 Thermisches Licht ist allerdings aufgrund
seiner hohen Temperatur von einigen tausend Kelvin unbrauchbar zum Kühlen. Erst
mit der Erfindung des Lasers änderte sich die Situation. Es ist jedoch möglich, auch mit
anderen Lichtquellen einen Atomstrahl sichtbar abzulenken, was bereits 1933 von Frisch
demonstriert wurde, der einen Natriumstrahl mit dem Licht einer Natriumlampe von seiner
Bahn abzubringen vermochte. Nach der Erfindung des Lasers mit variabler Wellenlänge
und hoher Intensität entwickelten Arthur L. Schawlow von der Universität Stanford (Nobelpreis
1981) und Theodor W. Hänsch (heute Universität München und MPI für Quantenoptik
[67]) 1975 ein äußerst wirksames Kühlverfahren für neutrale Atome. Die sogenannte
Laser- oder Doppler-Kühlung soll deshalb in diesem Kapitel erläutert werden.
Seit Mitte der 80er Jahre hat die Laserkühlung eine explosionsartige Entwicklung erfahren.
Das Ergebnis ist, daß heute hocheffektive Fallen zur Verfügung stehen, in denen man kalte
Atome mit einer Dichte von bis zu 10 14 Atomen pro Kubikzentimeter einfangen und auf
Temperaturen im Nanokelvinbereich herunterkühlen kann [62]. Dieser Wert liegt um mehrere
Größenordnungen unterhalb der in der Festkörperphysik durch magnetisches Kühlen
erzeugten Temperaturen.
1 Die erste Demonstration der Energie- und Impulserhaltung bei Stößen von Photonen und Elektronen war
der Compton-Effekt. Die Wellenlänge der gestreuten Röntgenstrahlung vergrößert sich um die Compton-
Wellenlänge λ c = h/m e c, wobei m e die Masse des Elektrons und c die Lichtgeschwindigkeit sind. Die
entsprechende Energie wird auf das rückstoßende Elektron übertragen.
39