Laserkaltes Rubidium

Was bisher nur mit geladenen Ionen zuverlässig gelang, konnten Forscher nun erstmals mit einem neutralen Rubidium-Atom vollbringen: Maximale optische Kühlung. Durch geschickte Bestrahlung mit passenden Laserfrequenzen bugsierten Physiker der University of Colorado einzelne Atome des Isotops Rubidium-87 in den quantenmechanischen Grundzustand ihrer Schwingungen.

Ausgangspunkt des Experiments war eine Kammer mit gasförmigem Rubidium-87. In diese fokussierten die Forscher das Licht eines Lasers mit einer Wellenlänge von 852 Nanometern, die sich mit Absicht weit entfernt von der Raman-Resonanz befand. Die Wissenschaftler achteten auf einen möglichst kleinen Fokusbereich – nur rund zehn Rubidium-Atome passten dort hinein. Der Fokus diente als optische Pinzette: Durch den starken Gradienten der elektrischen Feldstärke am Fokusrand wurden die Atome ins Zentrum hineingesogen und dort festgehalten.

Selbst diese wenigen Atome stießen in der optischen Falle jedoch regelmäßig auf einander. Dann fanden sie sich zu Molekülen zusammen und drifteten aus dem Fokusbereich heraus. Befand sich jedoch anfangs eine ungerade Anzahl Atome im Fokus, so blieb am Ende genau eines übrig.

Von da an war es nur noch ein Schritt bis zum ultrakalten Rubidium. Diesen legten die Forscher mithilfe weiterer Laser zurück, die aus allen drei Raumrichtungen auf das zu kühlende Atom strahlten. Durch gezielte Absorption und anschließende stimulierte Emission zwangen sie das Rubidium-Atom in den vibronischen Grundzustand; dieser Prozess ist als Raman-Seitenbandkühlung bisher vor allem von geladenen Teilchen bekannt. Die Kontrolle des Raman-Spektrums zeigte schließlich den Erfolg der Maßnahme: In 90 Prozent der Fälle gelang die Kühlung des Einzelatoms bis in den quantenmechanischen Grundzustand. Im Vergleich zu bisherigen ähnlichen Experimenten ist dies eine Steigerung der Erfolgsquote um zwei Größenordnungen, schreiben die Forscher.

Prinzipiell eignen sich einzelne Atome im quantenmechanischen Grundzustand zur Quanteninformationsverarbeitung: Sie lassen sich genauestens platzieren und manipulieren. Geladene Teilchen können dabei zwar leichter bis in ihren Grundzustand abgekühlt werden, gerade wegen ihrer Ladung zeigen sie jedoch unerwünschte Wechselwirkungen mit der umgebenden Materie. Genau darum sind Forscher schon länger daran interessiert, zuverlässig auch neutrale Atome maximal einzufrieren.

Laura Hennemann

PH