(1) Fallen sind Geräte, mit denen einzelne (von 1 bis typisch 10⁶) Atome oder Ionen extrem tiefer Temperatur weitgehend in Ruhe festgehalten werden. Eine Voraussetzung für ihr Funktionieren sind Kühlmechanismen wie Laserkühlung und ein extremes Ultrahochvakuum. Für das Prinzip von Fallen erhielt Wolfgang Paul 1989 den Nobelpreis ("Paul-Falle"). Häufig werden Alkalimetall-Atome in ihnen gespeichert, z.B. Rubidium oder Natrium. Man verwendet Kammern mit Ultrahochvakuum, in die die relativ wenigen Atome eingefüllt werden. Sie bilden dann zunächst ein extrem verdünntes Gas im Innern der Kammer.

(2) Die Magneto-optische Falle (MOT)

Im eindimensionalen Modell verwendet man zwei einander entgegengesetzte Laser mit entgegengesetzter Zirkularpolarisation. Längs ihres Verlaufs verändert ein magnetisches Längsfeld seine Feldstärke monoton; im Zentrum der Falle, also da, wo die Atome festgehalten werden sollen, soll die magnetische Flussdichte 0 sein. Die Laserfrequenz ist in einer bestimmten Weise auf eine Übergangsfrequenz der Atome abgestimmt, aber so, dass ruhende Atome im Fallenzentrum gerade nicht angeregt werden können: Die Laserfrequenz ist zu niedrig (rotverschoben).

Ein Atom bewege sich in den Bereich rechts vom Zentrum. Durch das dort vorhandene Magnetfeld wird der Anregungs-Zustand des Atoms aufgespalten (Zeeman-Aufspaltung). Dann nähert sich die Übergangsfrequenz zwischen Grundzustand und einem der Zeeman-Niveaus (einem energetisch abgesenkten) der Frequenz des von rechts kommenden rotverschobenen Lasers. Berücksichtigt man auch noch die Frequenzerhöhung durch den Doppler-Effekt (Blauverschiebung), dann versteht man, dass der von rechts kommende Laser das Atom anregen und ihm dabei einen Impuls nach links übertragen kann, wenn er geeignete Zirkularpolarisation besitzt. Aus Drehimpulserhaltungsgründen ist der gewählte Übergang nur mit einer bestimmten Zirkularpolarisation erlaubt ("Auswahlregeln"). Das Atom erfährt eine rücktreibende Kraft nach links; die Theorie lehrt, dass diese in erster Näherung proportional zur Geschwindigkeit und zum Abstand vom Zentrum ist. Ganz entsprechend verhält sich ein in den Bereich links vom Zentrum geratenes Atom.

Im dreidimensionalen Fall muss man für jede Koordinatenrichtung ein Laserpaar verwenden. Das Magnetfeld wird durch 2 Antihelmholtzspulen (gegensinnig vom Strom durchflossen), so dass das Magnetfeld im Zentrum verschwindet. Manchmal werden zwei MOTs hintereinander verwendet zum effektiveren Vorkühlen bei höherer Atomzahl.

(3) Die Magnetfalle

Weil die eingestrahlten Photonen dem gekühlten Gas auch Energie zuführen, was schließlich zu einem Gleichgewichtszustand führt, kann man eine magneto-optische Falle nur zum Vorkühlen verwenden.

Will man noch tiefere Temperaturen erreichen und dabei das eingeschlossene verdünnte Gas von den sehr viel wärmeren Wänden der Kammer fernhalten, schaltet man die Laser ab und verwendet diesmal ein starkes örtlich veränderliches, also inhomogenes Magnetfeld ("mit einem Magnetfeldgradienten"). Man nutzt die Eigenschaft, dass die Atome als Bosonen einen festen Drehimpuls haben, der mit einem magnetischen Moment verbunden ist. Mit anderen Worten: jedes Atom stellt sozusagen einen kleinen Elementarmagneten dar, der sich im Magnetfeld in einer bestimmten Weise ausrichtet. Magnetische Momente als Ganze (und damit die Atome) erfahren in konstanten Magnetfeldern keine Kraft, wohl aber in einem örtlich veränderlichem Magnetfeld. Das war schon der Grund dafür, weshalb ein Spin-Messer ein inhomogenes Magnetfeld benötigte. Vergleichbar mit der Kreiselwirkung, weil der Drehimpuls konstant bleibt, bleibt die Orientierung des Drehimpulses und des "Elementarmagneten" stabil, solange keine äußere Einwirkung entsteht. In dem starken inhomogenen Magnetfeld richten sich die "Elementarmagneten" der Atome alle aus und erfahren eine Kraft. Die Atome, deren magnetisches Moment antiparallel zum Magnetfeld ist, werden zum Fallenzentrum gedrückt. Bei geeigneter Verteilung des Magnetfelds bleiben sie auf einem kleinen Raum konzentriert, ähnlich wie in einem Potentialtopf.

Mit einem Hochfrequenzpuls kann man für ein Umklappen der Atomspins sorgen. Für solche Atome verliert die Falle ihre komprimierende Wirkung und die betroffenen Atome können entweichen. Andere Umklappprozesse sorgen leider auch für Verluste der Falle, wenn man keine Gegenmaßnahmen trifft.

Abbildung aus: http://www.colorado.edu/physics/2000/bec/

Vgl. auch Kohärente atomare Schwingungen von Ionenketten