Einleitung[]
Für viele Messungen an Atomen wünscht man sich diese sehr langsam und in einem kleinen Volumen lokalisiert, um sie über einen längeren Zeitraum am gleichen Ort und ohne Dopplereffekt untersuchen zu können. Mit der optischen Kühlung können Atome bis auf wenige Mikrokelvin bis zum Grenzwert der natürlichen Linienbreite gekühlt werden.
optisches Kühlen[]
Betrachten wir zunächst nur eine Dimension: Wir wollen einen Atomstrahl kühlen, der in x-Richtung läuft. Dazu Strahlen wir Laserlicht aus x- und minus-x- Richtung ein, mit einer Frequenz, die leicht unterhalb einer Resonanzfrequenz der Atome liegt.
Ein Atom, dass nun in +x-Richtung fliegt, sieht die Laserfrequenz des in -x-Richtung laufenden Strahls blauverschoben, also näher an der Resonazfrequenz, während es die Frequenz des ebenfalls in x-Richtung laufende Strahls als rotverschoben wahrnimmt, also weiter enfernt von der Resonanz. Daher ist die Wahrscheinlichkeit für die Absorption eines in -x-Richtung laufenden Photons größer. Bei dieser wird ein Impuls auf das Atom in -x Richtung übertragen, es wird also abgebremst. Nach der Anregung kann dieses unter Aussendung eines weiteren Photons wieder in den Grunzustand zurückfallen. Da dieses jedoch spontan und somit in eine zufällige Raumrichtung emittiert wird, mitteln sich die dabei übertragenen Impulse aus, sodass effektiv tatsächlich eine Abbremsung stattfindet.
Analoges passiert natürlich auch mit einem in -x-Richtung fliegenden Atom.
In 3 Dimensionen erreicht man denselben effekt durch 6 Strahlen, 2 für jede Raumrichtung.
Um ein effektives und schnelles Kühlen zu ermöglichen, sollte das Atom bei der spontanen Emission direkt und schnell wieder in den Grundzustand gehen. Man sucht sich also solche Resonanzlinien aus, bei denen alle Übergänge bis auf den Grundzustandsübergang verboten sind.
MOT[]
Nun haben wir die Atome im Impulsraum eingeengt, aber noch nicht im Ortsraum. Hier hilft die sogenannte Magnetooptische Falle. Dabei fügt man in den Kühlbereich ein Magnetfeld hinzu, das linear mit dem Abstand zum Kühlbereich ansteigt (etwa durch ein Antihelmholtzspulenpaar). Dadurch erfahren die nicht-zentralen Atome eine Zeemannaufspaltung:
Wir modifizieren jetzt unser leicht unter der Resonanzfrequenz liegendes Laserlicht, indem wir gemäß obiger Skizze von rechts mit Helizität -1 und von links mit Helizität +1 zirkulieren lassen. Bei einem gewissen Abstand +x eines Atoms kommt der m=-1 Zustand in Resonanz mit den beiden Strahlen. Aufgrunde der Auswahlregeln kann er jedoch nur von dem Strahl angeregt werden, der Helizität -1 hat, also dem von rechts kommenden. Atome mit Abstand -x können entsprechend nur das von links kommende Licht absorbieren. Dadurch werden die Atome im Fallenzentrum komprimiert.
Wird dabei die de-Broglie-Wellenlänge kleiner als der Abstand der Atome, so tritt bei Bosonen die BEC ein.