Photonik mit Materiewellen

Mit ultrakalten Atomen in Lichtgittern lassen sich viele Quanten­prozesse nachbilden und unter Ideal­bedingungen studieren. Jetzt hat man die spontane Emission von Photonen mit bosonischen Atomen simuliert, deren Materie­wellen dabei spontan abgestrahlt wurden.

Die spontane Emission eines Licht­quants durch ein Atom ist ein fundamentaler Prozess der Wechsel­wirkung zwischen Licht und Materie. Sie kommt durch Kopplung eines angeregten atomaren Zustands an das Moden­kontinuum des elektro­magnetischen Vakuums zustande. Dies führt normaler­weise zum exponentiellen Zerfall des angeregten Zustands mit einer bestimmten Lebens­dauer sowie zu einer endlichen Linien­breite der ab­gegebenen Strahlung.

Das Strahlungsverhalten eines Atoms ändert sich jedoch grund­legend, wenn das Spektrum der Strahlungs­moden des Vakuums ein­geschränkt ist wie in einem photonischen Kristall. Fällt die Anregungs­frequenz des Atoms in eine Band­lücke des Kristalls, so kann es nicht strahlen und die spontane Emission wird unterdrückt. Steht nur eine einzelne Mode zur Verfügung, so kann die Anregung periodisch zwischen ihr und dem Atom hin und her wechseln.

Unter bestimmten Bedingungen kommt es zu einem Überlagerungs­zustand, bei dem das Atom gleich­zeitig an­geregt und ab­geregt ist, wobei die Anregungs­energie als evaneszente, räumlich schnell abklingende Welle abgegeben wird, die an das Atom gebunden bleibt. Diese exotischen Formen bzw. Beschränkungen der spontanen Emission haben jetzt Forscher um Dominik Schneble von der Stony Brook University mit atomaren Materie­wellen statt Licht­wellen untersucht.

Sie haben ultrakalte bosonische Rubidium-87-Atome in zwei Hyper­fein-Grund­zustände (blau) und (rot) präpariert und mit einem Licht­gitter so festgehalten, dass sie sich nur ein­dimensional in röhren­förmigen Bereichen bewegen konnten. Die beiden Zustände wurden durch ein Mikro­wellen­feld gekoppelt und gegen­einander frequenz­verstimmt. Dann wurde mit einer stehenden Licht­welle in den Röhren eine periodische Anordnung von Potential­töpfen erzeugt, die nur die „roten“ Atome festhielten, während die „blauen“ un­beeinflusst blieben.

Dies führte dazu, dass den in einer Dimension frei beweglichen „blauen“ Atomen ein ganzes (nach oben und unten beschränktes) Kontinuum von Zuständen mit unter­schiedlichen Impulsen zur Verfügung stand. Die lokalisierten „roten“ Atome waren an bestimmte Zustände in diesem Kontinuum gekoppelt, in die sie übergehen konnten. Dabei wurde ein „rotes“ Atom zu einem beweglichen „blauen“, d. h. es wurde spontan eine Materie­welle emittiert.

Durch die variable Frequenzverstimmung der Zustände (rot) und (blau) konnten die Forscher regulieren, welche Energie die „roten“ Atome relativ zum „blauen“ Zustands­kontinuum hatten. Lag ihre Energie mitten im Kontinuum, so zerfiel die „rote“ Population exponentiell, wie man es für die Spontan­emission erwartet. Bei diesem Markov-Prozess hatten die „roten“ Atome kein Gedächtnis, d. h. die Halb­werts­zeit ihres Zustands war unabhängig davon, wie lange sie schon in ihm über­dauert hatten.

Wurde die Verstimmung der beiden Zustände (relativ zur Kopplungs­stärke) immer kleiner gemacht, sodass die „roten“ Atome an Zustände am unteren Ende des Kontinuums koppelten, so machte sich diese Beschränkung der zur Verfügung stehenden Zustände bemerkbar. Jetzt zerfiel die Population der „roten“ Atome nicht mehr exponentiell, sondern sie zeigte gedämpfte Schwingungen. Bei diesem Nicht-Markov-Prozess hing das Verhalten der „roten“ Atome von ihrer Vor­geschichte ab, da Anregungen aus dem Kontinuum zurück­kamen und von ihnen wieder auf­genommen werden konnten.

Noch exotischer verhielten sich die „roten“ Atome, wenn ihre Anregungs­energie unter­halb der Unter­kante des Kontinuums lag. In diesem Fall erwartet man, dass die Atome sowohl in einem „roten“ als auch in einem „blauen“ Zustand sind, letzterer aber um das Atom herum lokalisiert ist und räumlich exponentiell abfällt. Auch in diesem Fall zeigte die Population der „roten“ Atome ab­klingende Oszillationen. Allerdings verblieb sie auf einem Wert nahe 1. Bei diesem fraktionellen Zerfall emittierte nur ein kleiner Teil der „roten“ Atome Materie­wellen, die dann als evaneszente Wellen an die Atome gebunden blieben.

Das von Dominik Schneble und seinen Kollegen entwickelte Verfahren ermöglicht es, exotische Zerfalls- und Emissions­prozesse auch in zwei und drei Raum­dimensionen zu unter­suchen. Da die Atome im Gegensatz zu Photonen direkt mit­einander wechsel­wirken, kann man auf diesem Wege auch zusätzliche nicht­lineare Effekte unter­suchen, die die Dynamik der atomaren Populationen beeinflussen.

Rainer Scharf

DE