Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

46 Kapitel 4. Kühlung von atomaren Gasen und Fallen für neutrale Teilchen
Durch spontane Emission eines Photons nach einem Absorptionsprozeß kann ein Atom das
Grundzustandsniveau wechseln. Nach einigen Zyklen ist die Wahrscheinlichkeit, daß sich
ein mit rechtszirkular polarisiertem Licht bestrahltes Atom im rechten Grundzustandsniveau
(m F =1/2) befindet, groß. Von dort kann es dann durch keinen Absorptionsprozeß
mehr entkommen. Dieses Verfahren wird “optisches Pumpen” genannt und ist in Abbildung
4.8b veranschaulicht.
a) b)
-3/2
-1/2
1/2
3/2
-3/2
-1/2
1/2
3/2
-1/2 1/2
Abbildung 4.8: Einfachstes mögliches Niveauschema für Sisyphus-Kühlung (a). Die Dicke der
Pfeile gibt die Wahrscheinlichkeit eines Übergangs an. Durch Absorptions- und Emissionsvorgänge
ist der Wechsel in ein anderes Grundzustandsniveau möglich (b).
Durch die beschriebenen Vorgänge gelangen die Atome für jeden Polarisationstyp in das jeweils
energetisch günstigste Zeeman-Niveau. Verständlich wird dieser Kühlmechanismus,
wenn man eine stehende Lichtwelle betrachtet, deren Polarisation zwischen rechts- und
linkszirkular wechselt. Man erhält eine solche Welle, indem man zwei linear polarisierte
Wellen mit um π/2 verdrehter Polarisationsebene gegeneinander richtet. Hieraus entsteht
eine sinusförmige Variation der Verschiebung der Grundzustandsniveaus längs der stehenden
Welle. Die Kurven der beiden Zeeman-Komponenten haben eine Phasenverschiebung
von π.
Ein Atom, das sich zum Beispiel im rechten Zeeman-Niveau (m F =1/2) befindet und nach
links bewegt, muß sich gegen ein Potential bewegen und verliert dabei an Geschwindigkeit.
Je höher es den Potentialberg “erklimmt”, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, daß es
in das andere Grundzustandsniveau (m F = −1/2) gelangt. Dabei wird die aufgenommene
potentielle Energie an das Lichtfeld abgegeben, da die Frequenz des emittierten Photons
größer ist als die des absorbierten. Bewegt sich das Atom weiter, läuft es gegen das nächste
Potential an und der Vorgang beginnt erneut. Nach einiger Zeit hat das Atom soviel Energie
verloren, daß es das nächste Maximum des Potentials nicht mehr erreichen kann und in
einem Minimum bleibt. Dieser Prozeß ist in Abbildung 4.9 dargestellt.
Auch wenn ein Atom nicht mehr genügend Energie besitzt, um einen Potentialberg zu
überwinden, kann es Photonen absorbieren und emittieren. Daher behält es eine mittlere
Geschwindigkeit, die dem Rückstoß eines solchen Prozesses entspricht und als “Rückstoßlimit”
bezeichnet wird.
Bestimmte Niveauschemata besitzen sogenannte “Dunkelzustände”. Das sind Grundzustandsniveaus,
in denen ein Atom keine Photonen absorbieren kann. Sie existieren für
jede Lichtpolarisation, und es zeigt sich, daß in Lichtfeldern mit sich räumlich ändernder
Polarisation nur die langsamsten Atome in solche Zustände gelangen können. Durch
-1/2
1/2