Atomwolke als Messgerät

Die quantenoptischen Schwankungen der Lichtintensität in einem Resonator konnten jetzt mit Hilfe einer Atomwolke gemessen werden.

Selbst in einem perfekten monochromatischen Laserstrahl schwankt die Lichtintensität. Das Strahlungsfeld wird durch einen kohärenten Zustand beschrieben, der keine festumrissene Photonenzahl hat. Wie groß die Intensitätsschwankungen eines Lichtfeldes sind, hängt auch von der Umgebung ab. So sollte die Lichtintensität in einem Resonator stärker schwanken als im freien Raum. Die Quantenfluktuationen sind dabei umso größer, je näher man der Resonanzfrequenz kommt. Das lässt sich allerdings nur an der Strahlung im Resonator beobachten und nicht am ausgekoppelten Licht. Forscher in den USA haben jetzt die Intensitätsschwankungen in einem optischen Resonator gemessen – mit einer Atomwolke als Messgerät.

Kater Murch und seine Kollegen von der University of California in Berkeley haben etwa 10000 Rubidiumatome zwischen die beiden Spiegel eines Fabry-Perot-Resonators gebracht. Mit einem Infrarotlaser erzeugten die Forscher zwischen den Spiegeln eine stehende Lichtwelle, die ein eindimensionales Lichtgitter bildete. In den Potentialmulden des Lichtgitters waren die auf 0,8 µK gekühlten Atome gefangen. Sie saßen in etwa 300 benachbarten Mulden und führten kollektive Schwingungen um ihre Ruhelagen aus. Mit einem zweiten, roten Laserstrahl, der den optischen Resonator anregte, beobachteten die Forscher die Atomwolke und setzten sie zugleich den zu untersuchenden quantenoptischen Intensitätsschwankungen aus.

Zur Beobachtung der Atomwolke wurde die Frequenz des roten Laserstrahls etwas oberhalb einer Eigenfrequenz des leeren Resonators eingestellt. Waren Atome im Resonator, so veränderten sie seine optischen Eigenschaften. Je mehr Atome sich im Resonator befanden, umso stärker war er zu einer höheren Frequenz hin verstimmt und umso weniger Intensität des Beobachtungsstrahls ließ er durch. Die Intensitätsschwankungen des Strahls führten dazu, dass zeitlich veränderliche Kräfte auf die Atome wirkten und sie erwärmten. Andere auf die Atome wirkende Kräfte, die zum Beispiel durch den Impulsübertrag einzelner absorbierter oder emittierter Photonen verursacht wurden, waren dem gegenüber vernachlässigbar. Die Erwärmung führte dazu, dass immer mehr Atome aus den Potentialmulden verdampften. Je mehr Atome aus dem Resonator entwichen, umso weniger war er verstimmt und umso mehr Laserlicht ließ er durch.

Die Forscher konnten anhand Intensität des vom Resonator durchgelassenen Lichts verfolgen, wie die Zahl der Atome im Resonator mit der Zeit abnahm. Daraus ermittelten sie die Verdampfungsrate in Abhängigkeit von der Verstimmung des Resonators. Je weniger der Resonator verstimmt war, umso größer war die Lichtintensität in ihm und umso schneller verdampften die Atome. Um diesen Effekt zu berücksichtigen, normierten die Forscher die Verdampfungsrate mit der Lichtintensität. Wurde diese normierte Rate gegen die Verstimmung aufgetragen, so zeigte sie ein deutliches Maximum, wenn der Resonator nicht verstimmt und mit dem Laserlicht in Resonanz war. Offenbar waren dann die Schwankungen des Lichtfeldes, die die Atomwolke erwärmten, besonders groß. Die gemessenen Raten stimmten gut mit den Vorhersagen der Theorie überein.

Die kollektive Bewegung der Atome in der Wolke führte ebenfalls zu einer Verstimmung des Resonators. Dadurch wird es möglich, mit Hilfe des Lichtfeldes im Resonator die Position der Atomwolke zu messen. Umgekehrt wirkt das Lichtfeld auf die Wolke zurück, indem seine Schwankungen ihre Temperatur erhöhen. Die Atomwolke wird dann zu einem makroskopischen Messapparat, der die Quantenfluktuationen des Lichtes sichtbar macht, aber dabei das Lichtfeld stört.

Rainer Scharf

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  Kater W. Murch et al.: Observation of quantum-measurement backaction with an ultracold atomic gas. Nature Physics (published online 18.5.2008)
  http://dx.doi.org/10.1038/nphys965
  http://arxiv.org/abs/0706.1005v3
  

• Gruppe von Dan Stamper-Kurn an der University of California, Berkeley:
  http://ultracold.physics.berkeley.edu/pmwiki/Main/HomePage
  

Weitere Literatur:

• Subhadeep Gupta et al.: Cavity Nonlinear Optics at Low Photon Numbers from Collective Atomic Motion. PRL 99, 213601 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.213601
  http://arxiv.org/abs/0706.1052