Hoch angeregt und kontrolliert

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Quantenoptik und Vielteilchenphysik mit Rydberg-Gasen

Rydberg-Atome sind elektronisch hoch angeregt und können eine enorme Ausdehnung besitzen. Sie erlauben es, starke Wechselwirkungen zwischen neutralen Atomen zu induzieren. Damit lässt sich Vielteilchenphysik auf Basis der Atome untersuchen, und es ergeben sich sehr starke optische Nichtlinearitäten, die zu nicht-klassischen Zuständen des Lichtfeldes führen. Die Untersuchung von Rydberg-Zuständen ist aus beiderlei Hinsicht hoch interessant und ein aktuelles Forschungsfeld.

Rydberg-Zustände sind hoch angeregte elektronische Zustände gebundener Systeme, die seit den 1970er-Jahren mittels Laseranregung in atomaren Gasen untersucht werden [1]. Zunächst lag das Augenmerk darauf, das einzelne Rydberg-Atom zu verstehen. Doch schnell war klar, dass Atome in solch hoch angeregten Zuständen besondere Eigenschaften aufweisen. So kann die Wechselwirkung dieser Atome untereinander um mehr als zehn Größenordnungen stärker sein als im Grundzustand, sodass sie selbst im Abstand von zehn Mikrometern noch mehreren Megahertz entspricht [2]. Rydberg-Zustände besitzen eine typische Lebensdauer von etwa 100 Mikrosekunden. Daher erlauben es Rydberg-Gase, die aus vielen Atomen in Rydberg-Zuständen bestehen, kohärente Vielteilchen-Quanteneffekte experimentell zu untersuchen. Das gilt vor allem, seitdem sich Rydberg-Gase aus Alkali- und Erdalkali-Atomen dank Laserkühlung routinemäßig bei einigen zehn Mikrokelvin erzeugen lassen. Für schwere Atome wie Rubidium entsprechen diese Temperaturen einer thermischen Bewegung von weniger als einem Mikrometer in der Lebensdauer der Rydberg-Zustände. Damit sind sie oft vernachlässigbar – das Gas ist auf dieser Zeit­skala „eingefroren“. Auch kann die Dichte dank Laserkühlung recht einfach mehr als zehn Atome in einem Würfel mit einer Kantenlänge von zehn Mikrometern betragen, sodass Wechselwirkungseffekte dominieren können.


Tatsächlich zeigten sich spektroskopisch in Experimenten mit dichten Atomstrahlen schon in den 1980er-Jahren erste Anzeichen der Wechselwirkung zwischen Rydberg-Atomen. Die ausgereiften Techniken der Laserkühlung ermöglichten es zwanzig Jahre später, Vielteilcheneffekte in einem gefangenen Gas zu untersuchen. Starke Wechselwirkungen unterdrückten die Laseranregung in einer Magneto-Optischen Falle deutlich. Diese Unterdrückung beruht auf der „Rydberg-Blockade“ (Infokasten). Dabei verschiebt die gegenseitige Wechselwirkung der Rydberg-Atome die atomaren Energieniveaus, sodass diese nicht mehr in Resonanz mit dem Anregungslaser sind...

Sebastian Hofferberth und Christian Groß

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