Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

4.3 Sisyphuskühlung 45
Dabei sind T Dop die minimale erreichbare Temperatur und Γ wieder die natürliche Linienbreite,
die auch als Lebenszeit des angeregten Zustandes bezeichnet werden kann.
Die mit diesem Verfahren erreichbare Minimaltemperatur liegt bei einigen hundert Mikrokelvin,
was Teilchengeschwindigkeiten von etwa einem Kilometer pro Stunde entspricht.
Für Natrium gilt beispielsweise eine Minimaltemperatur von 240µK.
Die ersten Experimente mit neutralen Atomen schienen dieses Limit zu bestätigen, obwohl
die Ergebnisse noch nicht verstanden und die Fehler bei der Temperaturmessung sehr groß
waren. Zusätzlich kam hinzu, daß die Abhängigkeit der Temperatur von der Laserintensität
nicht den Erwartungen entsprach. Dennoch war man der Meinung, daß das Doppler-Limit
die niedrigste mit diesem Verfahren erreichbare Temperatur sei. Diese Auffassung änderte
sich erst mit Entwicklung der Sisyphuskühlung, auf die im folgenden eingegangen wird.
4.3 Sisyphuskühlung
W.D. Phillips und seine Mitarbeiter entwickelten 1987 genauere Methoden zur Bestimmung
der Temperatur eines gekühlten Gases. Zur allgemeinen Überraschung maßen sie
Werte, die weit unter der Doppler-Grenze lagen und die Theoretiker begannen sofort damit,
den unerwarteten Befund zu erklären. Ein Jahr später veröffentlichten Jean Dalibard 2 ,
Claude Cohen-Tannoudji und Steven Chu unabhängig voneinander eine mögliche Lösung
des Problems [25, 27, 62, 75, 94]. Der Begründung des Doppler-Limits liegt ein vereinfachtes
Atommodell zugrunde, das die Entartung des elektronischen Grundzustandes der
verwendeten Alkaliatome vernachlässigt.
Die griechische Mythologie stand der Namensgebung für dieses Verfahren zur Seite, denn
Cohen-Tannoudji und seine Mitarbeiter benannten es nach dem griechischen Helden Sisyphus.
3
Die einzelnen Energieniveaus werden bei Wechselwirkung mit Licht unterschiedlich stark
verschoben. Dabei sind die Verschiebung und die Besetzungszahl abhängig von der Polarisation.
Das einfachste Niveauschema besteht aus einem Grundzustand mit zwei und
einem angeregten Zustand mit vier entarteten Niveaus. Diese unterscheiden sich in ihrer
magnetischen Quantenzahl m F (Zeeman-Komponenten). Durch die Auswahlregeln regt
linkszirkular polarisiertes Licht nur entlang der nach links gerichteten Pfeile in Abbildung
4.8a an. Rechtszirkular polarisiertes Licht wirkt entsprechend nur in Richtung der rechts
gerichteten Pfeile.
Jede Anregung bewirkt eine sogenannte Lichtverschiebung der Niveaus, deren Größe von
der Polarisationsrichtung abhängt und proportional zur Anregungswahrscheinlichkeit sowie
zur Amplitude des elektrischen Feldes ist, das heißt für rechtszirkulare Polarisation ist
das Niveau mit m F =1/2 stärker verschoben als das linke.
2 Jean Dalibard ist wie Claude Cohen-Tannoudji Mitglied der École Normale Supérieure in Paris.
3 Sisyphus, Sohn des thessalonischen Königs Ailos, gilt als Gründer und König der Stadt Korinth. Er
erblickte zufällig Zeus bei der Entführung der Jungfrau Aigina und erzählte seinem Vater von diesem Vorfall.
Zornig über Sisyphus Verrat, verbannte ihn Zeus nach seinem Tod in den Tartarus, der tiefsten Region der
Unterwelt. Dort wurde er gezwungen, unablässig einen Felsblock einen Hügel hinaufzuwälzen. Bevor er
jedoch den Gipfel erreichte, rollte der Felsen den Berg wieder hinunter und die Arbeit begann erneut.