Kollektive Rabi-Oszillationen beobachtet
Hunderte von kalten Atomen sind an der wiederholten Anregung eines Rydberg-Zustands beteiligt.
Wird ein quantenmechanisches Zweiniveausystem mit einem resonanten elektromagnetischen Feld angeregt, so führt es zwischen seinen beiden Zuständen Oszillationen mit einer charakteristischen Rabi-Frequenz Ω aus. Jetzt haben Forscher am Georgia Tech erstmals kollektive Rabi-Oszillationen einer größeren Zahl N von Atomen beobachtet, die sich durch eine erhöhte Rabi-Frequenz Ω √N verraten.
Abb.: Die Atomwolke zeigt deutliche Rabi-Oszillationen. (Quelle: Y. O. Dudin et al. / Nat. Phys.)
Alex Kuzmich und seine Kollegen konnten die kollektiven Rabi-Oszillationen an einem Wölkchen aus einigen hundert kalten Rubidiumatomen (T = 10 µK) verfolgen, die in einer magnetooptischen Falle gefangen waren. Die Atome wurden mit zwei Lasern (Wellenlänge 795 nm bzw. 474 nm) durch Zweiphotonenprozesse von ihrem Ausgangszustand in einen angeregten Zustand gebracht.
Im Gegensatz zu einem einzelnen Atom zeigten die Atome in der Wolke normalerweise keine ausgeprägten Rabi-Oszillationen. Da die Atome unterschiedlich stark an das räumlich inhomogene Laserfeld koppelten und zudem miteinander wechselwirkten, wurden die Rabi-Oszillationen weitgehend unterdrückt.
Dieses Problem lösten die Forscher, indem sie dafür sorgten, dass jeweils immer nur ein Atom in der Wolke angeregt wurde. Dazu wählten sie als angeregten Zustand einen Rydberg-Zustand mit der Hauptquantenzahl n=102. Rydberg-Atome haben riesige elektrische Dipolmomente, sodass zwei solche Atome in der Atomwolke stark wechselwirken würden. Dabei würden sich ihre Anregungsfrequenzen so stark verstimmen, dass nach Anregung eines Atoms kein weiteres mehr von den Lasern angeregt kann. Es tritt eine „Rydberg-Blockade“ auf.
In der Atomwolke wurde also immer nur ein Atom angeregt. Welches das war, bleib offen: Jedes konnte im Rydberg-Zustand sein. Die Atome befanden sich in einem kollektiven Anregungszustand, in dem sie ihr Verhalten miteinander abstimmten. Dadurch kam es zu Rabi-Oszillationen zwischen dem Ausgangszustand der Atomwolke und ihrem kollektiven Anregungszustand. Die kohärente Abstimmung der N Atome führte dazu, dass ihre Kopplung an das Laserfeld um den Faktor √N verstärkt war, sodass die Rabi-Frequenz Ω √N betrug.
Die Forscher beobachteten die Rabi-Oszillationen, indem sie die Atome in der Wolke mit Laserpulsen von unterschiedlicher Dauer t anregten. Anschließend schauten sie nach, mit welcher Wahrscheinlichkeit die Wolke ein Rydberg-Atom enthielt. Dazu bestrahlten sie die Wolke mit Laserlicht, das das Rydberg-Atom in einen fluoreszierenden Zustand brachte, und maßen die Fluoreszenz.
Das gemessene Fluoreszenzsignal oszillierte mit der Frequenz Ω √N. Die Wahrscheinlichkeit, dass in der Wolke ein Rydberg-Atom war, verhielt sich wie sin2(√N Ωt/2). Diese Rabi-Oszillationen klangen allerdings schon nach drei oder vier Perioden ab, da die Atome ihre Phasenkohärenz u. a. aufgrund von Spinwellen verloren, die sich in der Atomwolke ausbreiteten. Die Messungen ergaben zudem, dass nicht alle Atome in der Wolke an den Rabi-Oszillationen beteiligt waren, sondern nur etwa die Hälfte.
Mit ihrem Experiment haben Kuzmich und seine Kollegen gezeigt, dass schon ein einzelnes Atom die kollektive Rydberg-Anregung einer Atomwolke blockieren kann. Sie glauben, dass ihre Ergebnisse den Weg zum Quantencomputing und zur Quantensimulation mit Atomwolken ebnen.
Rainer Scharf
