Ein fünftel Photon für genauere Atomuhren
Eine Wolke aus tiefgekühlten und synchronisierten Rubidium-Atomen hilft in einem „superradianten“ Laser Frequenzen zu stabilisieren.
Ein Laser, der fast kein Licht mehr aussendet, scheint auf den ersten Blick keine sehr nützliche Erfindung zu sein. Doch Physiker vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder zeigten nun genau das Gegenteil. Sie entwickelten einen „superradianten“ Laser, dessen Frequenzen bis zu eintausend Mal stabiler sein könnte als bei den derzeit besten optischen Lasern. Diese Eigenschaft könnte den Bau von Atomuhren erleichtern, die um ein Vielfaches genauer ticken sollen als ihre Vorgänger.
Abb.: Frequenzstabiler Laser: Blick in die etwa zwei Zentimeter kleine Falle für die tiefgekühlten Rubidium-Atome zwischen zwei filigranen Spiegeln. (Bild: NIST, Burrus)
„Unser „superradianter“ Laser strahlt wirklich sehr schwach, etwa eine Million mal schwächer als ein Laserpointer“, sagt James Thompson vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder. Dafür lässt sich die Frequenz des Lichts sehr viel genauer bestimmen als bei Standard-Lasern. Rangiert die Linienbreite eines Lasers meist zwischen 0,125 und 0,3 Hertz, hat der neue Laser-Typ das Potenzial, Werte von einigen Millihertz Linienbreite zu erreichen. Mit diesen geringen Abweichungen könnten auch die für Atomuhren wichtigen optischen Übergänge angeregter Atome genauer bestimmt werden.
Das Prinzip für solch einen extrem frequenzstabilen Laser demonstrierten Thompson und Kollegen mit einem ersten Prototypen. Für diesen setzten sie zwischen die beiden für optische Standard-Laser typischen Reflexionsspiegel eine Wolke aus etwa einer Million eingefangener und tiefgekühlter Rubidium-Atomen. Diese Atome bewegten sich völlig im Gleichtakt und sendeten beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen streng synchronisiert Lichtteilchen aus. Von diesen Photonen wurden allerdings so wenige erzeugt, dass im Durchschnitt nur ein Fünftel Photon zwischen den zwei Spiegeln reflektiert wird.
So schwach der resultierende Laserstrahl auch war, gerade wegen der geringen Photonenzahl wurde die Bewegung der Lichtteilchen durch die Reflexionen an den Spiegeln kaum gestört. Denn bisher begrenzten thermische Vibrationen der Atome im Spiegel und äußere Störfaktoren das Reflexionsverhalten. Von dieser Beeinflussung weitestgehend befreit, zeigte sich die Laserfrequenz extrem stabil und schlug sich in einer Linienbreite im Millihertz-Bereich nieder. Eine theoretisch mögliche Linienbreite von nur ein bis zwei Millihertz erreichten die NIST-Forscher bisher zwar nicht, vermuten die Ursache dafür jedoch in der noch schwankenden Anzahl an Rubidium-Atomen.
Auch eine Atomuhr mit diesem superradianten Laser haben die NIST-Forscher bisher noch nicht bauen können. Ihr Versuch zeigte jedoch, dass dies prinzipiell möglich wäre. In weiteren Experimenten könnten die Rubidium-Atome durch Strontium-Atome ersetzt werden. Diese sind besser für den Bau von Atomuhren geeignet. Gelingt dieser Schritt, wären Atomuhren möglich, die innerhalb von mehreren Milliarden Jahren nur eine einzige Sekunde falsch ticken.
Jan Oliver Löfken
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