Anton Öttl, Stephan Ritter, Michael Köhl und Tilman Esslinger (Zürich, 2005)

Aus der Originalarbeit von Anton Öttl, Stephan Ritter, Michael Köhl und Tilman Esslinger (Zürich): Correlations and Counting Statistics of an Atom Laser. Phys. Rev. Lett. 95, 090404 (2005)

Der Züricher Gruppe gelang es, die Zeitfolge von Atomen in einem Atomlaser und auch für thermisch verteilte Atome nachzuweisen. Sie erzeugten dazu in einer magneto-optischen Falle ein Bose-Einstein-Kondensat aus 87Rb-Atomen. Atome werden in der Falle durch ein Magnetfeld gehalten, wenn ihre Spins gleich ausgerichtet sind. Indem mit einem Mikrowellenstrahl die Spins von einem Teil der Kondensat-Atome umgekehrt wurden, fielen diese aus ihr heraus, weil sie nicht mehr von der Magnetfalle gehalten wurden: Es war ein Atomlaser entstanden. 87Rb-Atome sind Bosonen. So, wie ein Laser durch kohärente Zustände mit Photonen als Bosonen beschrieben wird, ist der Atomlaser ein bestimmter Zustand für Rb-Atome als Bosonen. Nach einer Fallstrecke von wenigen cm durchquerte der Atomstrahl innerhalb von 40 Mikrosekunden einen winzigen verspiegelten Hohlraum-Resonator, der als Atomdetektor diente. Das funktionierte so: Seitlich wurde mit einem sehr schwachen Laser als Sonde Licht eingestrahlt mit einer Wellenlänge, die nahe derjenigen lag, auf die der Hohlraum-Resonator abgestimmt war, aber ihr eben nicht genau entsprach. Der Hohlraum-Resonator konnte nur selten die zugehörigen Photonen aufnehmen. Ein auf der gegenüberliegenden Seite des Hohlraum-Resonators stehender Photonenzähler sprach also relativ häufig an. Befand sich jedoch ein Atom im Resonator, war dieser "verstimmt". Er konnte Photonen aus dem Sonden-Laser aufnehmen; die Zählrate am Photonendetektor sank ab. Die Züricher Forscher konnten so ca. 1/4 aller Atome zählen. Mit verlässlichen statistischen Methoden konnten sie dann auf die zeitliche Verteilung aller Atome schließen.

Sie stellten fest: 1. Die Atome des Atomlasers waren in ihrer zeitlichen Aufeinanderfolge Poisson-verteilt – wie die Photonen im Laserstrahl. Sie erreichten den Atomdetektor völlig unabhängig voneinander, "kein Atom weiß etwas vom Schicksal der anderen". Ein ähnliches Verhalten beobachtet man auch beim radioaktiven Zerfall. Ein "Bunching" der Atome wurde ebensowenig beobachtet wie ein "Photonen-Bunching" beim Laser. 2. Mit einem Trick gelang es den Forschern, die Kohärenz des Atomlasers zu zerstören und ihm eine quasi-thermische Verteilung der Atome zu verleihen, so wie sie etwa Photonen in klassischem Licht entspricht. Und wirklich: Jetzt konnten die Forscher nachweisen, dass die Atome gebündelt ("Bunching") in den Zähler gelangten, so wie das beim Hanbury-Brown/Twiss-Experiment für die Photonen von thermischem Licht nachgewiesen wurde. Die Messanordnung entspricht also derjenigen des Hanbury-Brown/Twiss-Versuchs für Photonen . Wie dieser beweist sie analoge Statistiken sowohl für thermisches Licht ("Bunching") als auch für Laserlicht (kein "Bunching"), diesmal aber für Atomstrahlen. Man darf also davon ausgehen, dass auch Atomlaser  näherungsweise durch kohärente Zustände beschrieben werden können, bei denen die Teilchenzahl (Atomzahl) un-be-stimmt ist. Im Unterschied zu Photonen ist allerdings die Wechselwirkung der Atome nicht vernachlässigbar. Solche Zustände mit un-be-stimmter Teilchenzahl sind sonst bekannt vom Laser, von bestimmten Gitterschwingungen in Festkörpern oder langgestreckten Molekülen (Phononen und Polaritonen) oder Ionenketten in Fallen, von Rundfunkwellen.

E

Ein Atomlaser verhält sich wie ein (Licht-)Laser: die zeitliche Folge von Teilchen-Nachweisen genügt einer Poisson-Verteilung. Sie erreichen den Atomzähler völlig unabhängig voneinander. Kohärente Zustände mit un-be-stimmter Teilchenzahl sind eine mindestens brauchbare Näherung für Laser- wie Atomlaser-Zustände. (Quasi-)Thermisch verteilte Atome verhalten sich wie thermisches Licht: Es findet "Bunching" statt, d.h. mit Vorliebe werden zwei dieser Bosonen kurz nacheinander nachgewiesen.

(zuletzt aktualisiert 2012)