Wieso kann man mit Lasern kühlen?

Es erscheint paradox: Ausgerechnet die Bestrahlung mit Laserlicht soll Atome und Moleküle abkühlen können? Doch genau das macht die Laserkühlung – sie ist die gängigste Methode, um Teilchen beispielsweise für quantenphysikalische Experimente oder die Suche nach neuen, exotischen Materiezuständen auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts herunterzukühlen. Wie das funktioniert, erklärt uns ein Physiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.

Im Mikrokosmos hängen Energie, Bewegung und Temperatur direkt zusammen: Je wärmer beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit ist, desto stärker und schneller bewegen sich die Atome oder Moleküle in diesen Fluiden. Diese Brownsche Molekularbewegung verrät, wie viel Energie die Teilchen besitzen und damit auch die Wärmeenergie, die in ihrer Umgebung präsent ist, denn mit ihr befinden sich die Atome im thermischen Gleichgewicht.

Billardkugel mit „Gegenwind“

Daraus ergibt sich: Je weniger sich ein Atom oder Molekül bewegt, desto energieärmer und kälter ist es. Kühlt man eine Atomwolke bis knapp über dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius ab, bewegen sich die Atome in dieser Wolke kaum noch. Umgekehrt lässt sich dieser Zusammenhang aber auch nutzen, um die Atome bis auf solche Temperaturen herunterzukühlen – und an diesem Punkt kommt die Laserkühlung ins Spiel.

„Die Laserkühlung von Atomen kann man sich eigentlich ganz gut veranschaulichen, wenn man sich ein Atom als Billardkugel vorstellt“, erklärt Axel Görlitz, Professor am Institut für Experimentalphysik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Der Laserstrahl sei vergleichbar mit einem dichten Strahl kleinerer Kugeln. „Wenn jetzt ein Atom als Billardkugel dem Lichtstrom entgegenfliegt, dann stoßen die Lichtteilchen mit dem Atom zusammen und bremsen es ab.“

So funktioniert es

In seinem Labor an der Universität Düsseldorf nutzen Görlitz und sein Team das Prinzip der Laserkühlung, um das Verhalten ultrakalter Atome bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt zu erforschen. „Die tiefsten Temperaturen, die wir erzeugen können, sind kleiner als ein Millionstel Grad“, berichtet Görlitz. Dafür werden die Atome, beispielsweise Rubidium-Atome, in eine Vakuumapparatur eingespeist. „In ihr haben wir einen Druck von nur Billiardsteln dessen, was wir hier um uns herum haben“, erklärt der Physiker.

Um die in alle Richtungen gehende Eigenbewegung der Atome zu bremsen – und ihnen so Energie zu entziehen, richten die Physiker Laserstrahlen aus verschiedenen Richtungen auf die Atome. Dabei ist die Wellenlänge des Laserlichts so auf die Atome abgestimmt, dass die Atome bei Kollision mit den Photonen ein wenig Energie abgeben statt Energie zu absorbieren. Dies ist dann der Fall, wenn die die Wellenlänge der Laserstrahlung knapp unterhalb der Resonanzfrequenz des Atoms liegt.

Die Atome geben nach der Kollision ein Photon ab, dass ein wenig energiereicher ist als das zuvor mit ihnen kollidierte. In der Folge nimmt die Bewegungsenergie der Atome immer weiter ab. „Und Temperatur ist nichts anderes als Bewegungsenergie“, erklärt Görlitz.

Wichtig unter anderem für Quantencomputer

Eine solche Laserkühlung wird heute überall dort eingesetzt, wo ultrakalte Atome benötigt werden – von der Grundlagenforschung über Atomuhren bis zur Quantentechnologie. Wissenschaftler haben dafür schon Atome, Moleküle, Plasma und Flüssigkeiten per Laser gekühlt, sogar bei Antimaterie funktioniert das Prinzip.

Wichtig sind ultrakalte Atome und die Laserkühlung aber auch für Quantencomputer. Einige von ihnen nutzen Atome oder Moleküle als Quantenbits, dafür müssen diese jedoch langsam und damit möglichst kalt sein. „Deshalb ist die Laserkühlung eine Grundlage dafür, dass man einen bestimmten Typ von Quantencomputer bauen kann“, sagt Görlitz. „Insofern bildet die Forschung, die wir hier machen, im weitesten Sinne eine Grundlage für Quantencomputer.“

Quelle: Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf