Ein Verstärker für Materie

Quantenoptik
Ein Verstärker für Materie- und Lichtwellen
Ein beleuchtetes Bose-Einstein-Kondensat vermag Lichtpulse abzubremsen sowie
Licht- und Materiewellen zu verstärken
Axel Görlitz und Tilman Pfau
Viele technische Errungenschaften beruhen auf
der Verstärkung von Wellen wie Radio-, Lichtund Schallwellen. Die Quantenmechanik lehrt
uns, dass zum einen Lichtwellen auch Teilchencharakter und zum anderen Teilchen auch eine
Wellennatur besitzen. Die Tatsache, dass Teilchen als Materie- oder de-Broglie-Wellen aufgefasst werden können, legt die Frage nahe, ob es
auch möglich ist, einen Verstärker für Atome zu
konstruieren, der ähnliche Eigenschaften hat
wie ein Verstärker für elektromagnetische Wellen. In diesem Artikel beschreiben wir ein Experiment, das dieser Frage nachgeht.
I
n einem Lichtverstärker oder Laser stimulieren Photonen in einer Resonatormode die Streuung weiterer
Photonen in diesen Zustand. So sammeln sich viele
identische Photonen in einem Schwingungszustand an.
Die zusätzlichen Photonen werden dabei aus chemischer oder elektrischer Energie gewonnen und kohärent, das heißt phasenstarr, zur ursprünglichen Lichtwelle hinzugefügt. Um eine analoge Situation für die
Verstärkung von atomaren Materiewellen zu erreichen,
muss es sich bei den Atomen wie bei Photonen um Bosonen handeln, damit sie als identische Teilchen in einem Materiewellenzustand angehäuft werden können.
Im Unterschied zur Zahl der Photonen, die leicht erzeugt werden können, bleibt in unseren Labors jedoch
die Atomzahl erhalten, weshalb ein Materiewellenverstärker ein Reservoir benötigt, aus dem Atome für den
Verstärkungsprozess entnommen werden können. Ein
weiterer notwendiger Bestandteil eines Materiewellenverstärkers ist ein Mechanismus, der das Reservoir an
den zu verstärkenden Zustand koppelt. Um tatsächlich
einen zum Lichtverstärker äquivalenten Materiewellenverstärker zu realisieren, sollte dieser Mechanismus
phasenkohärent sein, also nicht nur Atome umschaufeln, sondern auch dafür sorgen, dass eine einzige Materiewelle mit gleicher Phasenlage bevölkert wird.
Ein Materiewellenverstärker mit den oben beschriebenen Eigenschaften vermag zwar nicht den alchemistischen Wunsch nach der Vermehrung von Gold zu
erfüllen, aber er kann sehr interessant sein, zum Beispiel für die Entwicklung neuartiger Atominterferometer [1] sowie Materiewellensensoren, die als Gravitations- und Rotationssensoren eingesetzt werden können.
In unseren Experimenten [2], die wir parallel zu einer
Gruppe in Tokio [3] am Massachusetts Institute of
Abb. 1:
Materiewellen können mit einem beleuchteten Bose-EinsteinKondensat (BEC) verstärkt werden. Gezeigt sind Aufnahmen
eines Kondensats (in den Bildern links) und eines ausgekoppelten Materiewellenpakets, aufgenommen nach einigen Millisekunden Flugzeit ohne (a) und mit (b) Materiewellenverstärkung. Während des Verstärkungsprozesses überlappen BEC und
Materiewellenpaket räumlich. In den Flugzeitaufnahmen erscheinen sie räumlich getrennt, da sich das Materiewellenpaket
mit der Geschwindigkeit v relativ zum BEC nach rechts bewegt.
Technology in der Gruppe von Wolfgang Ketterle
durchgeführt haben, gelang die erstmalige Realisierung
phasenkohärenter Verstärker für Materiewellen. Als
Medium für den Materiewellenverstärker wurde in beiden Fällen ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) aus einem verdünnten atomaren Gas verwendet [4, 5]. Ein
Materiewellenverstärker im Betrieb ist in Abb. 1 zu sehen, wo Aufnahmen eines Verstärker-BECs und eines
unverstärkten (a) bzw. verstärkten (b) Materiewellenpakets gezeigt sind.
Das Prinzip eines Materiewellenverstärkers, wie wir
es uns vorstellen, ist in Abb. 2a skizziert. Ein kohärenter Strahl von Atomen wird in den Eingang des Materiewellenverstärkers gespeist, und am Ausgang wird
ein verstärktes Atomsignal beobachtet. Das ruhende
BEC dient dabei als Reservoir für den Verstärker. Um
Atome aus dem Reservoir zu entnehmen und dem sich
bewegenden Atomstrahl zuzuführen, wird das BEC mit
einem „Pumplaserstrahl“ beleuchtet. Der physikalische
Prozess, den wir uns dabei zunutze machen, ist die
(Rayleigh)-Streuung von Licht und Atomen, die über
den Photonenrückstoß Atome aus dem ruhenden BEC
genau in den Bewegungszustand des Atomstrahls versetzt. Da Lichtstreuung phasenstarr abläuft, sollte auch
die Phasenkohärenz des Verstärkungsprozesses gewährleistet sein. Lichtwellen und Materiewellen sind
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57 (2001) Nr. 5
0031-9279/01/0505-55
$17.50+50/0
© WILEY-VCH Verlag GmbH,
D-69451 Weinheim, 2001
Dr. Axel Görlitz,
MIT, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, USA;
Prof. Dr. Tilman
Pfau, 5. Physikalisches Institut der
Universität Stuttgart,
Pfaffenwaldring 57,
70550 Stuttgart
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Abb. 2:
a) Prinzip der Materiewellenverstärkung mit einem beleuchteten BEC: Ein Materiewellenpaket mit Geschwindigkeit v wird
durch ein mit einem Pumplaserstrahl beleuchtetes Kondensat
geschickt und dabei verstärkt.
b) Schema des Experiments: Von einem ruhenden, in einer
Atomfalle gefangenen BEC wird ein Materiewellenpaket mithilfe zweier Bragg-Laserstrahlen ausgekoppelt (links). Das ausgekoppelte Materiewellenpaket interferiert mit dem ruhenden
BEC und bildet ein Materiewellengitter. Durch Einschalten eines Pumplasers wird das Materiewellengitter und damit das
ausgekoppelte Materiewellenpaket verstärkt (Mitte). Nach Ausschalten der Falle expandieren BEC und Materiewellenpaket
frei (rechts) und erscheinen so in Absorptionsaufnahmen (Abb.
1) räumlich voneinander getrennt.
hier gekoppelt wie ineinander greifende Zahnräder.
Die Lichtstreuung ist zudem symmetrisch hinsichtlich
Atomen und Photonen. Wie sich im Verlauf unserer
Arbeiten herausgestellt hat, kann man daher mit einem
beleuchteten BEC nicht nur Materie-, sondern auch
Lichtwellen verstärken [6]. Das besondere Wechselspiel zwischen Licht- und Atomverstärkung umfasst
interessante Phänomene, wie die Materie- und Lichtwellenverstärkung, die superradiante Lichtstreuung [7]
sowie die Erzeugung von langsamem Licht und die
Speicherung von Information in Atomen [8].
Stimulierte Atomstreuung
Die faszinierende Physik, die in einem beleuchteten
BEC steckt, wurde den Forschern der MIT-Gruppe
erstmals 1998 vor Augen geführt, als sie ein zigarrenförmiges BEC aus Natriumatomen mit einem starken,
gegenüber der atomaren Resonanz verstimmten Laserstrahl beleuchteten: Das BEC streute das Licht nicht
wie ein „normales“ atomares Gas gleichmäßig in alle
Richtungen, sondern bevorzugt entlang der langen
Achse des Kondensats [7]. Im Experiment wurde dabei
zunächst beobachtet, dass rückstoßende Atome das
Kondensat gerichtet verlassen. Genauere Untersuchungen zeigten, dass zu Beginn dieses Prozesses die Zahl
gestreuter Photonen und Atome exponentiell anwächst,
was charakteristisch für einen stimulierten Verstärkungsprozess ist. Die Beobachtung dieses kollektiven
Selbstverstärkungseffekts, der als superradiante Lichtstreuung an einem BEC erklärt werden kann, bildete
den Ausgangspunkt für die in diesem Artikel beschriebenen Experimente zur Materie- und Lichtwellenverstärkung.
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in unseren Experimenten ein in einer Atomfalle gefangenes BEC aus Natriumatomen, das mit einem Pumplaserstrahl beleuchtet wird. Die Verstärkung eines sich
mit wohldefinierter Geschwindigkeit v in dem BEC bewegenden Atomstrahls kann formal als bosonische Stimulation interpretiert werden, analog zur stimulierten
Emission beim Laser. Die Atome im Strahl, die sich alle im gleichen quantenmechanischen Zustand befinden, triggern die stimulierte Streuung des Pumplichts.
Durch die stimulierte Streuung eines Photons wird ein
Impuls auf Atome im Kondensat übertragen. Das bewirkt eine Umverteilung von Atomen aus dem Kondensat in den Atomstrahl.
Eine bildhaftere Beschreibung erhält man, wenn
man die Interferenz zwischen ruhendem Kondensat
und dem sich bewegenden Atomstrahl betrachtet. Diese Interferenz führt zu einer Dichtemodulation mit einer Periode L = h/mv, die der de-Broglie-Wellenlänge
der sich bewegenden Atome entspricht. Dieses Materiewellengitter propagiert mit einer Phasengeschwindigkeit von v/2 durch das Kondensat und stellt aufgrund des periodisch modulierten Brechungsindex ein
Phasengitter für verstimmtes Licht dar. Wird ein Pumplaserstrahl eingestrahlt, so wird er von dem Phasengitter gebeugt. Jedem gebeugten Photon entspricht dabei
ein Atom, das aus dem ruhenden Kondensat in die Mode des Atomstrahls gestreut wird. Dadurch wächst das
Materiewellengitter, und die Zahl der gestreuten Photonen sowie die Intensität des Atomstrahls steigen exponentiell an. Die maximale Geschwindigkeit v, für die
dieser Prozess ablaufen kann, entspricht dabei der doppelten Rückstoßgeschwindigkeit und betrug in unseren
Experimenten 6 cm/s. Die Rückstoßgeschwindigkeit ist
die Geschwindigkeit eines zuvor ruhenden Atoms nach
Absorption bzw. Emission eines Photons.
Von einer anderen Seite betrachtet bedeutet diese
Bedingung für die Maximalgeschwindigkeit gerade,
dass die Periode des Materiewellengitters größer als
die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts (hier
589 nm) sein muss. Die Materiewellenverstärkung ist
proportional zur Streurate, also zur Lichtleistung im
Pumpstrahl, und zur Zahl der Striche des Materiewellengitters, die von dem Pumpstrahl ausgeleuchtet werden. Analog zur stimulierten Lichtstreuung kann die
Materiewellenverstärkung als stimulierte Streuung von
Atomen beschrieben werden, wobei der das beleuchtete Kondensat durchquerende Atomstrahl den Prozess
stimuliert. Im Vergleich dazu wird bei der superradianten Streuung der ansonsten sehr ähnliche Verstärkungsprozess durch spontan gestreute Atome initiiert.
Verstärkung eines Atomstrahls
Der Aufbau eines solchen Materiewellenverstärkers
scheint relativ einfach, sobald man in der Lage ist,
Bose-Einstein-Kondensate herzustellen. Doch wie produziert man am besten einen Atomstrahl mit einer
wohldefinierten Geschwindigkeit als Input für den Materiewellenverstärker in derselben Apparatur wie das
ruhende BEC? Dazu bedienten wir uns eines Tricks,
indem wir den Atomstrahl aus demselben Kondensat
erzeugten, das anschließend für den Materiewellenverstärker benutzt wurde. Dies ist möglich, da es für den
Verstärkungsprozess nicht darauf ankommt, dass Input
und Verstärker zunächst räumlich getrennt sind, sondern nur, dass sich der Input-Atomstrahl relativ zum
Kondensat bewegt. Mithilfe eines kohärenten Zwei-
spalten, der mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung der Rückstoßgeschwindigkeit durch das
ruhende Kondensat propagierte. Dazu wird das Kondensat mit einem kurzen Lichtpuls aus zwei Laserstrahlen mit geeigneter Differenzfrequenz beschienen,
der Atome aufgrund der so genannten Bragg-Streuung
aus dem ruhenden Kondensat auskoppelt. Der übertragene Impuls entspricht dabei genau der Differenz der
Wellenvektoren der beiden Laserstrahlen. In unseren
Experimenten benutzen wir für den Bragg-Prozess zwei
Laserstrahlen parallel und senkrecht zum Pumpstrahl,
um den Input für den Materiewellenverstärker zu erzeugen (Abb. 2b, links). Direkt anschließend, bevor die
ausgekoppelten Atome das Kondensat verlassen haben,
wird der Materiewellenverstärker durch Einschalten
des Pumpstrahls aktiviert (Abb. 2b, Mitte). Die Absorptionsaufnahmen in Abb. 1 zeigen das BEC sowie den
augekoppelten Atomstrahl ohne (Abb. 1a) und mit
(Abb. 1b) Aktivierung des Materiewellenverstärkers.
Die Bilder sind Flugzeitaufnahmen, die 35 ms nach den
Lichtpulsen und dem Abschalten der Atomfalle aufgenommen wurden. Man kann so das ruhende Kondensat
von den ausgekoppelten Atomen unterscheiden. Während ohne Verstärkung die Zahl der ausgekoppelten
Atome für die Detektion mit unserem Abbildungssystem gerade ausreicht, beobachten wir nach dem Verstärkungspuls eine deutliche Zunahme. Die typische
Verstärkung, die wir in unseren Experimenten messen
konnten, betrug etwa einen Faktor 30.
Aber ist die verstärkte Materiewelle auch phasenstarr an den Input-Atomstrahl gekoppelt? Um die Phasenkohärenz des Verstärkungsprozesses zu untersuchen, benutzten wir ein Zweipuls-Atominterferometer
(Abb. 3a). Die Idee besteht darin, den verstärkten
Atomstrahl mit einem Teil des Referenz-Atomstrahls zu
überlagern. Wenn man ein phasenstabiles Interferenzsignal beobachtet, ist dies ein Nachweis der Phasenkohärenz. Für dieses Experiment wurde ein Atom-Referenzstrahl, der wiederum mit Hilfe von Bragg-Streuung erzeugt wurde, mit dem verstärkten Atomstrahl
zur Interferenz gebracht. Ein Bragg-Puls koppelt ein
Wellenpaket mit einstellbarer Größe und Phase aus
dem Kondensat aus. Werden zwei mit zeitlichem Abstand Dt aus dem Kondensat ausgekoppelte Wellenpakete zur Interferenz gebracht, so manifestiert sich die
Interferenz in der Abhängigkeit der Zahl der Atome,
die nach dem zweiten Puls tatsächlich aus dem Kondensat ausgekoppelt werden, von der relativen Phase
zwischen den beiden Wellenpaketen. Als Referenz
diente eine Messung, bei der zwei etwa gleich große
Pulse aus dem Kondensat ausgekoppelt wurden (Abb.
3b). Die Güte der Phasenkohärenz spiegelt sich dabei
im Kontrast des Interferenzsignals wider. Wird der erste Puls stark abgeschwächt (Abb. 3c), so verschwindet
das Interferenzsignal praktisch vollständig. Nach Einschalten des Materiewellenverstärkers steigt der Kontrast des Interferenzsignals wieder an (Abb. 3d). Damit
konnte eindeutig gezeigt werden, dass der Materiewellenverstärker kohärent arbeitet. Unsere Experimente
zum Nachweis der Phasenkohärenz zeigen schon eine
der Einsatzmöglichkeiten für den Materiewellenverstärker, nämlich die Signalstärke in Atominterferometern zu erhöhen.
Bei der Betrachtung unsere Experimente stellt sich
die Frage nach den Parallelen zwischen Verstärkern
und Lasern für Atome und Photonen. In einem Lichtlaser findet die Verstärkung innerhalb eines Resonators
statt, wobei Photonen stimuliert in eine bereits besetzte
Mode gestreut werden. Durch Auskopplung mit einem
teildurchlässigen Spiegel wird eine Lichtwelle freigesetzt, deren Phasenlage fixiert, aber willkürlich und oft
auch zeitlich veränderlich ist. Gibt man eine bestimmte
Phasenlage vor, indem man einem Lasermedium (Laser-)Licht injiziert, so wirkt das Lasermedium als Verstärker, wie zum Beispiel Faserlaser, die in der Nachrichtentechnik eingesetzt werden. Unser Materiewellenverstärker arbeitet sehr ähnlich zu einem solchen
Nachverstärker. Ein gepulster Atomstrahl, der zuvor
mittels Bragg-Streuung aus einem BEC ausgekoppelt
wurde, wird in unserem Fall vom selben Bose-EinsteinKondensat durch Einschalten eines Pumplichts nachverstärkt. Das „Atomlasermedium“ ist das BEC und
der gepulste ausgekoppelte Atomstrahl kann als Atomlaser, wie er schon früher in gepulster oder kontinuierlicher Form demonstriert wurde [9, 10], verstanden
werden. Der primäre Verstärkungsmechanismus, der
Abb. 3:
a) Mit einem Zweipuls-Atominterferometer wird die Phasenkohärenz des Materiewellenverstärkers nachgewiesen. Ein Wellenpaket wird dazu aus dem Kondensat ausgekoppelt (I), verstärkt (II) und anschließend mit einem zweiten ausgekoppelten
Wellenpaket (III) zur Interferenz gebracht. Nach 35 ms freier
Expansion wird die Zahl der tatsächlich ausgekoppelten Atome
als Funktion der Phase zwischen den beiden Wellenpaketen bestimmt (IV).
b) Das Interferenzsignal von zwei starken (aber unverstärkten) Atomstrahlen hat einen guten Kontrast.
c) Durch Verringerung der Zahl der ausgekoppelten Atome
im ersten Wellenpaket wird das Signal bis unter die Nachweisgrenze abgeschwächt.
d) Nach Einschalten des Verstärkungslichtpulses wächst das
Interferenzsignal wieder an. Der räumliche Überlapp der beiden Wellenpakete und damit das Interferenzsignal ist dadurch
verringert, dass sich das erste Wellenpaket schon ein Stück aus
dem Kondensat entfernt hat, bevor das zweite ausgekoppelt
wird.
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spielt, ist im übrigen die bosonisch stimulierte Streuung in den Grundzustand einer Atomfalle während der
Formierung des Bose-Einstein-Kondensats.
Im Laufe der Experimente zur Materiewellenverstärkung wurde uns bewusst, dass ein beleuchtetes Kondensat auch Lichtwellen verstärken kann, wenn anstatt
eines Atomstrahls ein sehr schwacher „Testlichtstrahl“
geeigneter Frequenz in das Kondensat geschickt wird
Lichtverstärkung ist entscheidend, dass die Zahl der
Photonen im Teststrahl kleiner als die Zahl der Atome
im Kondensat ist, da pro Atom höchstens ein Photon
in den Testlichtstrahl umverteilt werden kann. Abbildung 4b zeigt eine mit dem Photonenvervielfacher aufgenommene Messkurve, in der die Lichtverstärkung
durch ein BEC zu sehen ist. Die maximale beobachtete
Verstärkung lag bei einem Faktor von 2,8, nahe am
Übergang von linearer zu nichtlinearer Verstärkung.
Ein Lichtpuls wird abgebremst
Abb. 4:
a) Schema der Lichtverstärkung in einem beleuchteten BEC.
Ein Testlichtstrahl wird in ein beleuchtetes BEC eingestrahlt
und seine Intensität nach Durchgang durch das BEC mit einem
Photonendetektor gemessen.
b) Beobachtung der Lichtverstärkung in der Intensität des
Testlichtpulses. Die Lichtverstärkung ist durch das Verhältnis
der Intensität im Testlicht mit und ohne eingeschaltetes Pumplicht gegeben.
(Abb. 4a). Für geringe Beleuchtung des Kondensats
(d. h. geringe Pumplichtintensität) kann der Verstärkungsmechanismus vollkommen analog zur Materiewellenverstärkung beschrieben werden. Der Testlichtstrahl interferiert mit dem Pumplichtstrahl und formt
ein sich bewegendes Lichtgitter. Ruhende Kondensatatome werden unter Übertragung eines Photonenrückstoßimpulses an diesem Lichtgitter gestreut, wobei
Photonen aus dem Pumpstrahl in den Teststrahl umverteilt werden. Dieser Prozess ist der gleiche BraggProzess, den wir im Experiment zur Materiewellenverstärkung ausgenutzt haben, um Atome aus dem Kondensat auszukoppeln. Bei geringer Beleuchtung ist die
Verstärkung des Testlichts linear und kann prinzipiell
auch in einem Ensemble unabhängiger Atome beobachtet werden. Bei stärkerer Beleuchtung des Kondensats läuft die Umverteilung von Photonen aus dem
Pumpstrahl in den Teststrahl schneller ab. Dadurch
kommt es zu einer Ansammlung von sich mit einem
Photonenrückstoß bewegenden Atomen im Kondensat.
Diese interferieren wieder mit dem ruhenden Kondensat, und es formt sich wieder ein Materiewellengitter,
durch das die Streuung von Photonen aus dem Pumpin den Teststrahl zusätzlich verstärkt wird. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Bragg-Prozess bei
schwacher Beleuchtung handelt es sich hier um einen
kollektiven Effekt, bei dem alle Atome im Kondensat
durch den Aufbau eines makroskopischen Materiewellengitters zur Verstärkung beitragen. Die Verstärkung
des Testlichts in diesem Fall ist nichtlinear, das heißt
sie hängt von der Stärke des Testlichts ab.
Die Lichtverstärkung haben wir an einem ähnlichen
Aufbau untersucht wie die Materiewellenverstärkung.
Das experimentelle Signal war hier die Lichtleistung im
Teststrahl, die mit Hilfe eines Photonendetektors ge58
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Ein beleuchtetes Bose-Einstein-Kondensat weist
eine sehr schmale Resonanz für die Verstärkung von
Licht auf, da die Atome im Kondensat sich beinahe im
Ruhezustand befinden und die Resonanzfrequenz nur
sehr geringfügig durch den Doppler-Effekt verbreitert
wird. Dies lässt sich dazu verwenden, die Gruppengeschwindigkeit von Lichtpulsen extrem zu verringern.
Eine schmale Verstärkungsresonanz ist nämlich immer
mit einer starken Änderung des Brechungsindex verbunden. Da die Gruppengeschwindigkeit vG eines
Lichtpulses umgekehrt proportional zur Ableitung des
Brechungsindex n nach der Frequenz ist (vG ⬀
(dn/dv)–1), führt eine schmale Resonanzstruktur dazu,
dass Licht mit der Resonanzfrequenz abgebremst wird.
In Abb. 5 ist die Abbremsung eines Lichtpulses durch
ein beleuchtetes Kondensat dargestellt, wobei die gemessene Pulsgeschwindigkeit etwa 1 m/s beträgt. Wird
das Materiewellengitter zur Beschreibung der Lichtverstärkung herangezogen, lässt sich auch eine sehr anschauliche Beschreibung des Verzögerungsprozesses
ableiten: Der Testpuls erzeugt zusammen mit dem
Pumplicht ein langlebiges Materiewellengitter. Dessen
Lebensdauer wird durch die Zeit bestimmt, die die
Atome in der Rückstoßmode benötigen, um das ruhende Kondensat zu verlassen. Für unsere Kondensate
liegt diese Kohärenzzeit in der Größenordnung von einigen 10 ms. Die Verzögerung des Lichtpulses kommt
nun dadurch zustande, dass das Materiewellengitter
auch nach Ende des ursprünglichen Testpulses noch
Photonen vom Pumplicht in die Testmode streut. Das
BEC behält sozusagen die Information über den Lichtpuls im „Gedächtnis“. Generell geht die Verzögerung
von Lichtpulsen damit einher, dass der ursprüngliche
Testpuls eine Polarisation aufbaut, die dann langsam
abgestrahlt wird. Im Fall des beleuchteten BEC wird
Abb. 5:
„Langsames“ Licht in einem beleuchteten Bose-Einstein-Kondensat.
a) Ursprünglicher unverstärkter (obere Kurve) und verstärkter verzögerter Lichtpuls. Die Verzögerung beträgt ca. 20 ms,
was bei einem Durchmesser des Kondensats von 20 mm entlang
der Ausbreitungsrichtung des Lichtpulses einer Geschwindigkeit von 1 m/s entspricht.
b) Verzögerung als Funktion der Verstärkung (logarithmische
Skala). Mit zunehmender Verstärkung nimmt die Verzögerung
des Testpulses zu, die Pulsgeschwindigkeit wird verringert.
tiert. Extrem verzögerte Lichtpulse können auch mithilfe von Dunkelresonanzen erzeugt werden. Kürzlich
gelang es zwei Gruppen, die von einem Lichtpuls auf
ein atomares Gas übertragene Information für mehrere
hundert ms zu speichern [8], wobei in dieser Zeit alles
Licht ausgeschaltet war.
Unsere Experimente zur Materie- und Lichtwellenverstärkung in Bose-Einstein-Kondensaten zeigen, welche Möglichkeiten die große Kohärenzlänge von BoseEinstein-Kondensaten, das heißt die Länge, über die
die Materiewellenpakete im Gleichtakt schwingen,
eröffnet. Dass ein mit einem Laserstrahl beleuchtetes
Kondensat sowohl zur Materie- als auch zur Lichtverstärkung verwendet werden kann, demonstriert anschaulich, wie ähnlich sich Licht- und Materiewellen
verhalten können. Prinzipiell könnte ein Materiewellenverstärker auch mit einer kalten thermischen Wolke
realisiert werden, aber dort ist die Kohärenzlänge um
Größenordnungen kleiner, was die technische Machbarkeit infrage stellt. Eine wesentliche experimentelle
Herausforderung ist noch die „Regeneration“ des Materiewellenverstärkers. Da in unseren bisherigen Experimenten das Kondensat, also das Reservoir, während
des Verstärkungsprozesses aufgebraucht wird, lässt sich
auf diese Weise noch kein kontinuierlich arbeitender
Materiewellenverstärker erzeugen.
Besonders für die Optik mit Atomen könnte es von
Nutzen sein, dass mit dem Materiewellenverstärker
jetzt auch ein aktives Element zur Verfügung steht,
nachdem seit Ende der 80er Jahre schon eine Reihe
passiver Elemente wie Linsen, Spiegel und Strahlteiler
für Atomstrahlen mithilfe von Licht- und Magnetfeldern entwickelt wurden [11]. In der Lichtoptik stehen
schon seit geraumer Zeit aktive, kohärente Verstärker
zur Verfügung, die z. B. in den präzisesten Lasergyroskopen – Lichtinterferometer, die z. B. zur Navigation
von Flugzeugen eingesetzt werden – zur Erhöhung der
Genauigkeit verwendet werden. Das Anwendungspotenzial, das in der Optik mit Atomen steckt, zeigt sich
ferometer diese Lasergyroskope in ihrer Genauigkeit
übertreffen [12]. Die weltweiten Aktivitäten rund um
die Atomoptik mit BEC, die bisher schon zur Realisierung von Atomlasern, BEC-Atominterferometern, Vierwellenmischung in BEC, langsamem Licht und Solitonen in BEC geführt haben, verleihen diesem recht
jungen Gebiet eine außerordentliche Dynamik, die
sicherlich noch eine Reihe von überraschenden Ergebnisse an den Tag bringen wird.
*
Die Autoren danken Wolfgang Ketterle für die Möglichkeit, als Gastwissenschaftler an den aufregenden
Experimenten mit Bose-Einstein-Kondensaten am MIT
teilhaben zu können. Die hier vorgestellten Ergebnisse
sind nur durch den unermüdlichen Einsatz von Shin
Inouye, Ananth Chikkatur, Subhadeep Gupta, Robert
Löw, Todd Gustavson und David Pritchard bei der Planung und Durchführung der Experimente möglich geworden. A. G. dankt dem DAAD und T. P. der Alexander-von-Humboldt Stiftung für die teilweise Finanzierung des Aufenthalts am MIT.
Literatur
[1] P. R. Berman, Atom Interferometry, Academic
Press, New York (1996)
[2] S. Inouye et al., Nature 402, 641 (1999)
[3] M. Kozuma et al., Science 286, 2309 (1999)
[4] E. A. Cornell und C. E. Wieman, Scientific American, März 1998, S. 40
[5] W. Ketterle und M.-O. Mewes, Phys. Bl., Juni 1996,
S. 573
[6] S. Inouye et al., Phys. Rev. Lett. 85, 4225 (2000)
[7] S. Inouye et al., Science 285, 571 (1999)
[8] D. F. Phillips et al., Phys. Rev. Lett. 86, 783 (2001);
C. Liu et al., Nature 409, 490 (2001)
[9] D. Kleppner, Physics Today, August 1997, S. 11
[10] T. Esslinger, I. Bloch und T. W. Hänsch, Phys. Bl.,
Februar 2000, S. 47
[11] T. Pfau und J. Mlynek, Phys. Bl., Januar 1994, S. 45
[12] T. L. Gustavson et al., Class. Quantum Grav., 17,
2385 (2000)
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