Schwarzkörperstrahlung zieht Atome an

  • 04. December 2017

Präzisionsmessungen mit einem Atominterferometer weisen winzigen Effekt nach.

Durch Atominter­ferometrie lassen sich die auf ein Atom wirkenden Kräfte nachweisen, selbst wenn sie extrem schwach sind. Letzten Sommer hatten Forscher um Holger Müller von der University of California in Berkeley mit einem Atominter­ferometer die Gravi­tationskraft untersucht, die ein zentimeter­großer Hohl­zylinder auf einzeln durch ihn fallende Atome ausübt. Jetzt haben sie den Hohlzylinder erhitzt, sodass er von merk­licher Schwarz­körper- oder Hohlraum­strahlung erfüllt war, und deren anziehende Wirkung auf die Atome nachge­wiesen.

Abb.: Das Atominterferometer (li.): Drei Laserpulse spalten ein frei fallendes atomares Wellenpaket in zwei Teilwellen auf, führen diese wieder zusammen und lassen sie interferieren. Der Energiedichtegradient der Hohlraumstrahlung eines heißen Hohlzylinders (re.) zieht die Atome messbar an. (Bild: P. Haslinger et al. / NPG)

Abb.: Das Atominterferometer (li.): Drei Laserpulse spalten ein frei fallendes atomares Wellenpaket in zwei Teilwellen auf, führen diese wieder zusammen und lassen sie interferieren. Der Energiedichtegradient der Hohlraumstrahlung eines heißen Hohlzylinders (re.) zieht die Atome messbar an. (Bild: P. Haslinger et al. / NPG)

In dem dazu benutzten Atominter­ferometer wurden die Materie­wellen von frei fallenden Cäsiumatomen in zwei Teilwellen aufge­spalten, die sich unabhängig von­einander ent­wickelten. Nach kurzer Zeit wurden die beiden Teil­wellen umgelenkt und wieder zusammen­geführt, sodass sie miteinander inter­ferierten. Aus dem Interferenz­signal ließ sich die Beschleunigung ermitteln, die die Atome auf ihrem Flug erfahren hatten. Mit den Atomen passierte dabei im Detail Folgendes: Die auf 300 Nano­kelvin laser­gekühlten Atome flogen senkrecht nach oben und fielen schließlich durch die Wirkung der Schwer­kraft wieder hinab. Am Umkehr­punkt ihrer Flugbahn waren sie etwa 3,7 Milli­meter tief in den Hohlraum eines zentimeter­großen Hohl­zylinders aus Wolfram eingedrungen.

Der Hohl­zylinder hatte einen fünf Milli­meter breiten Schlitz an der Seite. Durch ihn konnte der Hohl­zylinder von innen mit einem Infrarot­laser auf eine Temperatur von 460 Kelvin erhitzt werden. Im Laufe von sechs Stunden kühlte der Hohl­zylinder langsam ab, sodass das Inter­ferometer­experiment bei unter­schiedlichen Temperaturen durch­geführt werden konnte, die mit einem IR-Sensor gemessen wurden. Zudem erlaubte es der Schlitz, den Hohl­zylinder aus dem Experiment zu entfernen, ohne dieses zu stören. So war eine Vergleichs­messung möglich, anhand der sich ermitteln ließ, welche der auf ein Atom wirkenden Kräfte vom Hohl­zylinder und von der in ihm vorhan­denen Hohlraum­strahlung verursacht wurden.

Längs ihrer senk­rechten Flugbahn waren die Atome zwei einander entgegen gerichteten gepulsten Laser­strahlen ausgesetzt, die den inneren Zustand und den Impuls der Atome veränderten. Der erste Laserpuls teilte das atomare Wellen­paket in zwei gleich­gewichtige Teile, die sich in ihrem Hyperfein­zustand und ihrem Impuls unterschieden. Dieser Puls spielte die Rolle des ersten Strahl­teilers in einem Inter­ferometer. Nach 65 Milli­sekunden folgte ein zweiter Laserpuls, der die inneren Zustände und Impulse der beiden Teil­wellen vertauschte. Er wirkte wie die Umlenk­spiegel eines Inter­ferometers.

Nach weiteren 65 Milli­sekunden brachte ein dritter Laserpuls die beiden Teilwellen in denselben inneren und Impuls­zustand, sodass sie inter­ferieren konnten. Dies war der zweite Strahl­teiler des Inter­ferometers, der zwei verschiedene Ausgänge hatte. Wie sich die Atome nach dem Durch­laufen des Inter­ferometers auf diese beiden Ausgänge verteilten, ergab das Interferenz­signal. Aus ihm ließ sich die Beschleu­nigung ermitteln, die die Atome bei ihrem freien Fall erfahren hatten.

Die domi­nierende Erdbeschleu­nigung konnten die Forscher eliminieren, indem sie das Experiment einmal mit Hohl­zylinder und einmal ohne ihn durchführten und die Differenz der Beschleu­nigungen ermittelten. Nachdem sie die Schwerkraft­wirkung des Hohlzylinders, die etwa 66 nm/s2 betrug, berück­sichtigt hatten, blieb in erster Linie die Wirkung der Hohlraum­strahlung auf die Atome übrig.

Abb.: Je heißer der Hohlzylinder ist, desto stärker zieht er die Atome an: Die gemessene Temperaturabhängigkeit der Beschleunigung (Punkte) und die theoretische Vorhersage unter Einschluss der vom Zylinder verursachten Schwerebeschleunigung stimmen hervorragend überein. (Bild: P. Haslinger et al. / NPG)

Abb.: Je heißer der Hohlzylinder ist, desto stärker zieht er die Atome an: Die gemessene Temperaturabhängigkeit der Beschleunigung (Punkte) und die theoretische Vorhersage unter Einschluss der vom Zylinder verursachten Schwerebeschleunigung stimmen hervorragend überein. (Bild: P. Haslinger et al. / NPG)

Durch den Stark-Effekt verstimmte das elek­trische Wechsel­feld der Hohlraum­strahlung die Energie­niveaus der Atome. Aufgrund des Intensitäts­gradienten der Hohlraum­strahlung wurden die polarisierbaren Atome daraufhin in das Strahlungs­feld hinein­gezogen. Verglichen mit dieser anziehenden Wirkung der Hohlraum­strahlung war ihr abstoßend wirkender Strahlungs­druck vernach­lässigbar. Und auch der Casimir-Effekt spielte im aktuellen Experiment keine merkliche Rolle.

Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz hängt die Energie­dichte der Hohlraum­strahlung ρ von der Temperatur T ab wie: ρ(T) = const. T4. Berück­sichtigt man die tatsäch­liche räumliche Temperatur­verteilung im Hohlzylinder und die Umgebungs­temperatur T0, so erhält man eine anziehende Beschleu­nigung, die im Wesent­lichen wie T4 anwächst. Der genaue berechnete Verlauf der Beschleu­nigung mit T stimmte hervorragend mit der gemessenen Temperatur­abhängigkeit überein.

Die Forscher weisen darauf hin, dass für ein Cäsiumatom in einem Temperatur­gradienten von 0,1 Kelvin pro Meter bei einer Basis­temperatur von 300 Kelvin Beschleu­nigungen von 10-11 m/s2 auftreten. Dies erscheint zwar gering, ist aber bei Präzisions­messungen auf der Erde oder im Weltraum durchaus nicht vernachlässigbar. Zudem sind sie zuver­sichtlich, dass man mit erhitzten Testmassen ein Inter­ferometer­experiment kali­brieren kann, mit dem sich der Gravi­tations-Aharonov-Bohm-Effekts nachweisen ließe: die kräfte­freie Gravi­tationsrot­verschiebung.

Rainer Scharf

JOL

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