Kondensat im Hohlraum

Wie ergeht es einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) als „Superatom“ in einem resonanten Hohlraum bei starker Kopplung? Zwei Forschergruppen haben das untersucht.

Strahlt ein angeregtes Atom ein Photon ab, so sehen sich die beiden normalerweise nie mehr wieder. Doch wenn das Atom in einem resonanten Hohlraum ist und stark an eine Resonatormode koppelt, kann es das Photon mehrmals hintereinander absorbieren und wieder emittieren. Dabei entsteht ein verschränkter Zustand zwischen Atom und Photon. Wie es einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) als „Superatom“ in einem resonanten Hohlraum bei starker Kopplung ergeht, haben jetzt zwei Forschergruppen aus der Schweiz bzw. aus Frankreich und Deutschland untersucht.

Beide Teams benutzten Bose-Einstein-Kondensate aus einigen Tausend Rubidium-87-Atomen, sperrten sie jedoch in unterschiedliche Hohlräume ein. Tilman Esslinger von der ETH Zürich und seine Mitarbeiter benutzten zwei Spiegel, die sich in einem Abstand von 1/6 mm gegenüberstanden. Das Kondensat stellten sie außerhalb des Hohlraums her. Sie hielten es in einer Potentialmulde einer stehenden Lichtwelle fest, die von zwei gegenläufigen interferierenden Laserstrahlen gebildet wurde und quer zwischen den beiden Spiegeln hindurch lief. Durch leichtes Verstimmen der Laser begann die Lichtwelle zu laufen und transportierte dabei das Kondensat zwischen die Spiegel. Dort wurde es mithilfe eines weiteren Laserstrahls fixiert.

Jakob Reichel und seine Mitarbeiter vom Laboratoire Kastler Brossel in Paris und vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching hielten ihr Kondensat in einem Hohlraum fest, der sich auf einem Chip befand. Der Hohlraum war ein 39 µm breiter Spalt zwischen den einander gegenüberstehenden Enden zweier Glasfasern. Laserlicht in den Fasern erzeugt eine stehende Lichtwelle, in der das Kondensat mithilfe einer Magnetfalle festgehalten wurde. Durch Verschiebung der Magnetfalle konnten sie das Kondensat an einen beliebigen Punkt der Lichtwelle bringen und so die Kopplung zwischen Licht und Atomwolke lokal testen.

Zunächst untersuchten beide Forschergruppen, wie ein bestimmter optischer Übergang der Kondensatatome an eine resonante Hohlraummode koppelt und wie sich dabei seine Frequenz ändert. Dazu variierten sie die Modenfrequenz in einem Intervall von ein paar GHz um die Resonanz herum. Gleichzeitig bestimmten sie mit einem Laserstrahl, für welche Lichtfrequenz der Hohlraum besonders gut lichtdurchlässig war. Diese von der Verstimmung des Resonators abhängige Frequenz zeigte dasselbe Verhalten, wie man es für Einzelatome in einem Hohlraum bei starker Kopplung beobachtet. Dabei verschmelzen nahe der Resonanz Atom und Photon zu einer Einheit. Das gilt demnach auch für ein „Superatom“, zu dem sich die Atome eines Bose-Einstein-Kondensats unter Aufgabe ihrer Individualität zusammenschließen.

Die effektive Kopplung zwischen dem Kondensat und der resonanten Hohlraummode ist allerdings erheblich stärker als die zwischen einem einzelnen Atom und der Mode. Der Theorie zufolge sollte die Kopplungsstärke von der Zahl N der Kondensatatome abhängen und wie vN (Wurzel N) anwachsen. Um das zu überprüfen, haben beide Teams ihr Experiment mit vielen, unterschiedlich großen Kondensaten wiederholt und die Frequenzänderung des optischen Übergangs in Abhängigkeit von N gemessen. Dabei zeigte sich das vorhergesagte Quadratwurzelverhalten für die Kondensate zwischen den Spiegeln ebenso wie für die auf dem Chip.

Die jetzt erstmals erreichte starke Kopplung zwischen einem Bose-Einstein-Kondensat und einer einzelnen Hohlraummode eröffnet faszinierende Möglichkeit. So könnte man die starke Kopplung nutzen, um die Eigenschaften eines Kondensats mithilfe von Photonen genauer zu studieren und auch zu manipulieren. Darüber hinaus könnte man ein Kondensat gezielt mit Photonen in einen verschränkten Zustand bringen. Dies ließe sich ausnutzen, um Qubits von Photonen auf ein Kondensat zu übertragen und in ihm zu speichern oder um zwei Kondensate miteinander zu verschränken.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichungen:
  Ferdinand Brennecke et al.: Cavity QED with a Bose–Einstein condensate. Nature 450, 268 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06120
  http://arxiv.org/abs/0706.3411
• Yves Colombe et al.: Strong atom–field coupling for Bose–Einstein condensates in an optical cavity on a chip. Nature 450, 272 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06331
  http://arxiv.org/abs/0706.1390
• Gruppe von Tilman Esslinger:
  http://www.quantumoptics.ethz.ch
• Gruppe von Jakob Reichel:
  http://www.mpq.mpg.de/~jar/
  http://www.lkb.ens.fr/-L-equipe-