Atomschaukel

In einem besonderen Lichtgitter wurden Atome zu Schwingungen nach Wunsch angeregt.

Mit Atomen, die in Lichtgittern festgehalten werden, will man Quanteninformationen verarbeiten und komplexe quantenmechanische Vielteilchensysteme simulieren. Doch dazu muss man die atomaren Freiheitsgrade perfekt kontrollieren und die Atome in vorgegebene Quantenzustände bringen können. Forscher der Universität Bonn und der University of Arizona in Tucson haben jetzt die Kontrolle von Atomen, die in Lichtgittern schwingen, soweit perfektioniert, dass sie die Atome mit Mikrowellen gezielt zu einer gewünschten quantenmechanischen Eigenschwingung anregen konnten.

Die Teams von Dieter Meschede in Bonn und Poul Jessen in Tucson haben Cäsiumatome in einem Lichtgitter gehalten und mit Laserlicht auf einige µK abgekühlt. In den Potentialmulden des Gitters führten die Atome Schwingungen aus. Zudem waren sie in die beiden Hyperfeinzustände |↓> = |F=3, m_F=3> und |↑> = |F=4, m_F=4> angeregt worden, deren Entartung mit anderen Zeeman-Zuständen von einem Magnetfeld aufgehoben wurde. Mikrowellen, die die richtige Energie hatten, konnten die Atome vom Zustand |↓> in den Zustand |↑> bringen. Da die Mikrowellenphotonen aber nur einen sehr kleinen Impuls haben, reichte ihr Stoß nicht aus, um den Schwingungszustand der Atome zu ändern.

Um auch den Schwingungszustand |n> eines Atoms verändern und kontrollieren zu können, griffen die Forscher zu einem Trick: Sie führten eine variable Kopplung zwischen unterschiedlichen Hyperfein-Schwingungszuständen |↓,m> und |↑,n> ein, indem sie die Zustände räumlich gegeneinander verschoben. Dadurch bekamen zwei Zustände auch für m≠n einen merklichen Überlapp, und die Mikrowellenstrahlung konnte die „atomare Schaukel“ von einem Zustand in den anderen bringen. Die Oszillationen der Atome ließen sich sowohl hoch- als auch herunterschaukeln.

Doch wie verschiebt man zwei Hyperfein-Schwingungszustände gegeneinander? Die Forscher erzeugten eine stehende Lichtwelle mit Hilfe von zwei gegenläufigen, linear polarisierten Laserstrahlen (λ=865,9 nm), deren Polarisationsrichtungen einen Winkel θ einschlossen. Diese Welle bestand aus zwei entgegengesetzt zirkular polarisierten Teilwellen, die durch Variation von θ gegeneinander verschoben werden konnten. Je nachdem ob die Atome im Zustand |↓> oder |↑> waren, koppelten sie unterschiedlich stark an die beiden zirkular polarisierten Teilwellen. Sie verspürten deshalb unterschiedliche Lichtgitter, die sich wiederum mit Hilfe des Winkels θ gegeneinander verschieben ließen – und mit ihnen die dazu gehörigen Schwingungszustände in den Potentialmulden der Gitter.

In einem früheren Experiment hatten die Bonner Forscher solche zustandsspezifischen Lichtgitter dazu benutzt, um mit Atomen einen Quanten Walk durchzuführen – die quantenmechanische Entsprechung eines Random Walk. Im neuen Experiment ging es vor allem um die Oszillationen der Atome im Gitter. Durch Bestrahlung mit Mikrowellen von etwa 9,2 GHz wurden die beiden Hyperfeinzustände |↓> oder |↑> miteinander gekoppelt und es fanden Rabi-Oszillationen statt. Waren die beiden Lichtgitter nicht gegeneinander verschoben (θ=0), änderte sich der Schwingungszustand |n> der Atome nicht, wie man an ihrem Mikrowellenspektrum erkennen konnte.

Wurden die beiden Gitter um 10 nm gegeneinander verschoben, so konnten Übergänge zwischen |↑,n> und |↓,n±1> stattfinden. Mit Mikrowellen, die auf die Übergänge von |↑,n> zu |↓,n-1> und von |↓,n> zu |↑,n> abgestimmt waren, ließen sich die atomaren Oszillationen schrittweise abregen und somit schwingenden Atome abkühlen. Auf diese Weise erreichten die Forscher, dass die Oszillatoren schließlich nur noch 0,03 Schwingungsquanten enthielten, was einer Temperatur von 1,6 µK entsprach. Darüber hinaus gelang es ihnen, Rabi-Oszillationen zwischen sehr unterschiedlichen Schwingungszuständen gezielt anzuregen, z. B. zwischen |↑,0> und |↓,7>, indem sie die Mikrowellenfrequenz auf die Gitterverschiebung abstimmten.

Für Lichtgitter mit sehr tiefen Potentialmulden waren die Schwingungszustände räumlich eng lokalisiert. Sie hatten deshalb keinen merklichen Überlapp mehr, wenn die beiden Gitter um die halbe Wellenlänge gegeneinander verschoben waren. Bei sehr flachen Potentialmulden waren die Schwingungszustände hingegen so weit ausgedehnt, dass sie auch noch mit den um λ/2 verschobenen Zuständen überlappten. Die Mikrowellen ermöglichten es dann den Atomen zwischen den beiden Gittern von einer Mulde zur nächsten zu springen und einen Quantum Walk durch die Gitter zu absolvieren. Neben dem Schwingungszustand lässt sich damit auch die Bewegung der Atome im Gitter kontrollieren.

RAINER SCHARF

AL