Alle für Einen
Nicht-resonante Anregung führt zu Bunching-Effekten bei der Anregung von Rydberg-Atomen.
Das Motto „Gemeinsam sind wir stark“ gilt auch in der Quantenwelt. Eine Wolke aus vielen hundert Atomen kann sich unter geeigneten Bedingungen wie ein einziges Atom verhalten und dabei geradezu Superkräfte entwickeln. Dazu werden die Atome in diesem Ensemble – im Experiment wurde eine wenige Mikrometer große Wolke aus ultrakalten Rubidiumatomen verwendet – mit einem ultravioletten Laser von 297 Nanometern Wellenlänge direkt von dem Grundzustand in den 51P-Rydberg-Zustand angeregt.
Abb.: Ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidiumatomen (linkes Bild), wird radial komprimiert und in ein eindimensionales optisches Gitter geladen (mittleres Bild). Mit Hilfe eines Elektronenstrahls werden bis auf drei alle Gitterplätze entleert. Das Superatom (rechtes Bild) enthält etwa 150 Atome. (Bild: TU Kaiserslautern)
Durch die starke Wechselwirkung zwischen zwei Atomen im Rydbergzustand kommt es nun zu einer Anregungsblockade, die sich über die gesamte Ausdehnung der Wolke erstreckt. Dadurch kann immer nur genau ein Atom aus dem Ensemble in den 51P-Zustand gebracht werden, während die Anregung eines zweiten Atoms unterdrückt ist. Da im Prinzip jedes Atom der Wolke das Angeregte sein kann, werden nach der Quantenmechanik alle Möglichkeiten gleichzeitig realisiert. Die Atome sind dadurch korreliert und bilden ein einziges Objekt – ein Superatom – mit einer gegenüber dem einzelnen Atom hundertfach vergrößerten Anregungswahrscheinlichkeit.
Die beiden Arbeitsgruppen um Herwig Ott und Michael Fleischhauer an der Technischen Universität Kaiserslautern haben nun gezeigt, wie man ein solches einzelnes Superatom erzeugen und beschreiben kann und unter welchen Bedingungen die oben genannten Eigenschaften auftreten. Dabei haben sie die Ionen untersucht, die durch Photoionisation in dem Superatom entstehen. Deren Statistik spiegelt die Anregungsdynamik des Superatoms wider. Während bei resonanter Anregung die oben beschriebene Blockade zu einem Ionensignal führt, bei dem aufeinander folgende Ionen nur in einem bestimmten Abstand erzeugt werden (anti-bunching), konnten die Physiker zeigen, dass bei nicht-resonanter Anregung der umgekehrte Effekt eines ausgeprägten bunchings auftritt.
Letzteres ist auf korrelierte Anregungsprozesse zurückzuführen, bei denen die Präsenz eines Atoms im Rydbergzustand die Anregung eines zweiten Atoms in einem bestimmten Abstand begünstigt. Durch die Art der Beobachtung war es sogar möglich, die Lebensdauer der dabei entstehenden Rydberg-Aggregate zu bestimmen.
TU Kaiserslautern / DE
