Kooperative Lamb-Verschiebung gemessen

Virtuelle Photonen können messbare Wirkungen haben, wie die Lamb-Verschiebung zeigt. Wenn ein Atom solche Photonen abstrahlt und wieder einfängt, verändern sich seine Anregungsenergien. Tauschen mehrere Atome virtuelle Photonen aus, kann es zur kollektiven Lamb-Verschiebung kommen, die jetzt erstmals präzise gemessen und mit theoretischen Vorhersagen verglichen wurde.

Lamb und Retherford hatten 1947 beobachtet, dass beim Wasserstoffatom die Energien des 2P_1/2- und des 2S_1/2-Zustandes nicht exakt übereinstimmen, wie es von der Dirac-Theorie vorhergesagt wird, sondern sich um etwa 0,004 meV unterscheiden, was einer Anregungsfrequenz von etwa 1000 MHz entspricht. Noch im selben Jahr berechnete Hans Bethe diese Anregungsfrequenz näherungsweise zu 1040 MHz. Dazu berücksichtigte er die (unendlich große) Selbstenergie des Elektrons, die durch dessen Wechselwirkung mit seinem eigenen Strahlungsfeld zustande kommt.

Die Quantenelektrodynamik von Dyson, Feynman, Schwinger und Tomonaga hat Bethes Erklärung der Lamb-Verschiebung präzisiert: Demnach kommt sie dadurch zustande, dass das Atom virtuelle, also nicht beobachtbare Photonen emittiert und absorbiert. Diese virtuellen Prozesse haben unterschiedlich starke Auswirkungen auf die Energien der beiden von Lamb und Retherford untersuchten Zustände.

Wenn viele gleichartige Atome auf engem Raum zusammen sind, können sie ihr Strahlungsverhalten miteinander abstimmen. Das zeigt die 1954 von Robert Dicke vorhergesagte Superradianz. Befinden sich N Atome in einem Volumen, dessen Ausdehnung klein ist gegen die Wellenlänge der spontan emittierten Strahlung der Atome, so können sich die abgestrahlten Lichtwellen kohärent überlagern und miteinander konstruktiv interferieren. Die Lichtintensität ist dann nicht proportional N, wie bei unabhängigen Atomen, sondern geht wie N². Die Atome strahlen ihre Anregungsenergie also N-mal schneller ab als ein einzelnes Atom.

Auch die Lamb-Verschiebung wird durch die Kooperation der Atome verstärkt, wenn diese hinreichend dicht zusammengedrängt sind. Die virtuellen Photonen werden dann nicht nur vom jeweils selben Atom abgegeben und wieder eingefangen, sondern sie können auch zwischen verschiedenen Atomen ausgetauscht werden. Für die dabei auftretende kooperative Lamb-Verschiebung hatten 1973 Richard Friedberg, Sven Hartmann und Jamal Manassah eine umfassende Theorie aufgestellt, die sich an Dickes Herleitung der Superradianz orientierte. Die detaillierten Vorhersagen dieser Theorie haben jetzt Charles Adams von der Durham University und seine Kollegen überprüft.

Die kooperative Lamb-Verschiebung hatten andere Forscher zwar schon früher beobachtet. Doch zur Überprüfung der Theorie mussten Adams und seine Mitarbeiter das Problem lösen, eine große Zahl von Atomen in ein Volumen einzusperren, dessen Ausdehnung sie auf einige 10 nm genau kontrolliert verändern konnten. Dazu haben sie ein Gas aus Rubidiumatomen in den keilförmigen Zwischenraum zwischen hochgradig polierten Saphirplatten gebracht. Die Dicke des rundherum abgeschlossenen Zwischenraums variierte von 30 nm in der Mitte bis 2 µm am Rand.

Mit einem Laserstrahl von 780 nm Wellenlänge, den sie auf einen 30 µm großen Fleck fokussiert hatten, durchleuchteten die Forscher die Gaszelle an verschiedenen Stellen. Dadurch erreichten sie, dass der feine Strahl Gasschichten durchquerte, deren Dicke sie von 90 nm bis etwa 600 nm variieren konnten. Außerdem hatten sie die Gaszelle an ein Reservoir angeschlossen, aus dem durch Erhöhung der Temperatur zusätzliche Atome in die Zelle gebracht werden konnten. Auf diese Weise konnten Adams und seine Kollegen die atomare Dichte des Gases in der Zelle variieren. Mit einer Photodiode maßen sie die Intensität des durch die Gasschicht gelangten Laserlichts, dessen Frequenz auf einen bestimmten atomaren Übergang abgestimmt war.

Die Forscher beobachteten, dass diese Übergangsfrequenz kontinuierlich abnahm, wenn sie die Dichte des Gases in der Zelle erhöhten. Es trat also eine kooperative Lamb-Verschiebung auf. Unterschritt die Dichte jedoch einen bestimmten Wert, so verschwand die Verschiebung. In diesem Fall waren die Abstände zwischen den Atomen größer als die Lichtwellenlänge, sodass die Atome nicht miteinander „kooperieren“ konnten. Sodann hielten die Forscher die Dichte konstant und variierten die Dicke der Gasschicht. Die kooperative Lamb-Verschiebung nahm zunächst zu und erreichte ein Maximum, wenn die Dicke etwa ein Viertel der Lichtwellenlänge war. Anschließend oszillierte sie mit zunehmender Dicke – genauso wie von der Theorie vorhergesagt.

Mit ihren Messungen konnten Adams und seine Kollegen nicht nur die Theorie der kooperative Lamb-Verschiebung bestätigen, sondern durch Extrapolation der Messergebnisse für Schichten mit verschwindender Dicke auch Informationen über die Lorentz-Verschiebung gewinnen, die durch Wechselwirkung der atomaren Dipole hervorgerufen wird. Darüber hinaus sind die Forscher zuversichtlich, mit ihrem experimentellen Aufbau auch weitergehende Einblicke in die Superradianz nanometerdicker Gasschichten gewinnen zu können.

Rainer Scharf

OD