Überblick

Optik mit verschränkten Atomen

Ultrakalte Atome lassen sich durch Stöße miteinander verschränken und dann für die Interferometrie nutzen.

  • Bernd Lücke, Luis Santos und Carsten Klempt
  • 10 / 2013 Seite: 37

Seit über dreißig Jahren gelingt es, verschränkte ­Photonen im Labor herzustellen. Dabei wird die ­Polarisation zweier Photonen so gekoppelt, dass erst die Messung an einem Photon die Polarisation des anderen festlegt. Mit der Spindynamik in ultra­kalten Atomen steht nun ein Prozess zur Verfügung, mit dem sich auf analoge Weise verschränkte Atome herstellen und erste Schritte auf dem Gebiet der nicht­klassischen Atomoptik unternehmen lassen.

Albert Abraham Michelson suchte 1882 nach einer Methode, um Laufzeitunterschiede zwischen zwei Lichtstrahlen zu detektieren, die sich parallel und orthogonal zur Erdbewegung um die Sonne ausbreiten. Er überlagerte hierzu die beiden Lichtstrahlen und brachte sie zur Interferenz, sodass Laufzeitunterschiede – wenn vorhanden – die Inter­ferenzstruktur messbar verändern würden. Mit diesem ersten Lichtinterferometer gelang ihm das spektakuläre Michelson-Morley-Experiment, das die Existenz eines Äthers ausschloss und sich erst mit der Relativitätstheorie vollständig verstehen ließ. Heute wird eine Vielzahl physikalischer Messgrößen durch interferometrische Methoden mit höchster Genauigkeit erfasst.
Dabei beschränkt sich die Präzisionsinterferometrie nicht auf die Überlagerung von Lichtwellen, sondern schließt auch massive Teilchen ein. So beruhen zum Beispiel moderne Atomuhren zur Definition der Sekunde darauf, charakteristische Oszillationen in Cäsium-Atomen zu vermessen. Cäsium besitzt nur ein Valenzelektron, dessen Spin sich durch Mikrowellenstrahlung beliebig im Raum ausrichten lässt. Dabei führt die Hyperfeinwechselwirkung im Atom zu einem Energieunterschied zwischen den Zuständen mit parallelem (nach oben) bzw. antiparallelem Elektronenspin (nach unten) in Relation zum Spin des Atomkerns. In Atomuhren werden die Spins der Atome zunächst alle parallel zum Kernspin ausgerichtet und dann in die Horizontale gedreht: Auf dem Äquator führt der Spin jetzt eine charakteristische Rotation um die Jz-Achse aus, wobei der Drehwinkel θ linear mit der Zeit zunimmt (θ = ΔEHFS t/ħ). Deshalb entspricht diese Rotation der Bewegung eines Uhrenpendels. Zur Vermessung des Drehwinkels wird der Spin der Atome nochmals rotiert, sodass sich die gesamte Interferometersequenz auch als eine einzige Rotation um die Jy-Achse beschreiben lässt. Ohne charakteristische Rotation enden die Atome im Anfangszustand. Je größer der Drehwinkel, desto weiter wird der Endzustand rotiert. ...

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