Bose-Einstein-Kondensation in magnetischen und optischen Fallen

4.10 Hochauflösende Spektroskopie 59
sche Phänomene mit Atomen studiert werden.
Da neutrale Atome nach außen keine Ladung besitzen und sie im Gegensatz zu Neutronen
Materie nicht durchdringen, mußten Komponenten wie Linsen, Spiegel oder Strahlteiler
neu erfunden werden.
Atomlinsen können zum Beispiel aus statischen elektrischen und magnetischen Feldern
bestehen oder auf Strahlungsdruck (siehe Abschnitt 4.4) beruhen. Atomspiegel basieren
meistens auf Effekten, die bei der Totalreflexion eines Lasers an einem Prisma entstehen.
Die ersten atomaren Interferometer wurden 1991 gebaut [22, 76]. In ihnen wird ein Atom
in zwei räumlich getrennte Wellenzüge aufgeteilt, deren Interferenz nach anschließender
Zusammenführung beobachtet wird. Solche Interferometer können unter anderem benutzt
werden, um sehr genaue Messungen der Gravitation zu ermöglichen [73].
4.10.2 Hochauflösende Spektroskopie
Bei niedrigeren Temperaturen erhält man schmalere Spektrallinien und daher eine bessere
Auflösung, denn unerwünschte Effekte, wie zum Beispiel Doppler-Verbreiterung, sind
weniger stark. Dies war die ursprüngliche Motivation, ein Verfahren zur Laserkühlung zu
entwickeln, denn dadurch kann eine höhere Genauigkeit bei der Spektroskopie erzielt werden.
4.10.3 Atomuhren
Die genauesten Atomuhren existieren derzeit bei der Physikalisch Technischen Bundesanstalt
(PTB) in Braunschweig und dem NIST in Boulder. Uhren dieser Art werden hauptsächlich
bei der Navigation von Satelliten und Raumsonden genutzt und bestehen aus einem
thermischen Caesiumatomstrahl, der zwei Mikrowellenfelder passiert. Diese sind resonant
zur Hyperfeinaufspaltung des Grundzustandes. 5 Die Genauigkeit solcher Uhren ist
hauptsächlich durch die kurze Vorbeiflugzeit der Atome beschränkt, so daß mit um einige
Größenordnungen langsamer fliegenden Atomen eine höhere Genauigkeit erreicht werden
kann. Da Caesium zu den für die Laserkühlung effektivsten Atomen zählt, drängt sich dieses
Verfahren förmlich auf [58].
Beschleunigt man eine Ansammlung lasergekühlter Atome langsam senkrecht nach oben,
so werden sie nach einiger Zeit von der Gravitation soweit abgebremst, daß sie ihren Weg
umkehren. Läßt man sie sowohl auf ihrem Weg nach oben, als auch auf dem Rückweg
ein Mikrowellenfeld passieren, kann man die Dauer ihres Weges messen. Auf diese Weise
bilden die Atome eine Art “Springbrunnen”. Sogenannte “Atomspringbrunnen” oder “Zachariasspringbrunnen”
wurden bereits 1953 von Zacharias vorgeschlagen [126]. Er führte
auch einige Versuche durch, war aber mit den damaligen Mitteln nicht in der Lage, seine
Ideen zu verwirklichen. Steven Chu präsentierte 1989 einen solchen Brunnen und nutzte
ihn später ebenfalls für die Realisierung eines atomaren Interferometers [74]. Die ersten
Uhren dieser Art sind nun in der Entwicklung und werden voraussichtlich um zwei Größenordnungen
genauer als die zur Zeit genutzten sein.
5 Für weitere Informationen siehe “Ramseys Methode getrennter Felder” [108].