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Laserkühlung wird mobil

Forscher miniaturisieren Apparatur zur Produktion ultrakalter Atome

Laserkühlung
Atome lassen sich mithilfe von Laserstahlen auf extrem geringe Temperaturen herunterkühlen. © Blackjack3D, vectotatu/ iStock

Tragbar statt tischgroß: Atome auf fast den absoluten Nullpunkt herunterzukühlen, wird künftig einfacher. Denn Forscher haben die dafür nötigen Komponenten so stark verkleinert, dass die Laserkühlung handlich und tragbar wird – die ganze Apparatur ist nur 15 Zentimeter breit und sehr flach. Diese Miniaturisierung ebnet den Weg zu noch kleineren Laserkühlungen, die eines Tages sogar in Mikrochips integriert werden könnten – beispielsweise für die Quantenkommunikation.

Normalerweise dient Laserlicht eher dazu, Atomen Energie zuzuführen und sie in angeregte Zustände zu versetzen. Doch nutzt man Laserlicht bestimmter Frequenz und Eigenschaften, kann das Bombardement mit Photonen Atomen auch Energie entziehen: Der Laser bremst die Eigenbewegung der Atome so weit ab, dass sie fast stillstehen. Dadurch werden sie bis knapp über den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt.

Eine solche Laserkühlung wird heute überall dort eingesetzt, wo ultrakalte Atome benötigt werden – von der Grundlagenforschung über Atomuhren bis zur Quantentechnologie. Auch Moleküle, Plasma und Flüssigkeiten haben Wissenschaftler schon per Laser gekühlt. Bisher allerdings sind die Apparaturen dafür meist sehr sperrig und nehmen ganze Labortische ein.

Laserkühlung jenseits des Labors

Das hat sich nun geändert: US-Forscher um William McGehee vom National Institute of Standards and Technology (NIST) haben eine Laserkühlung entwickelt, die in einer nur 15 Zentimeter kleinen optischen Plattform abläuft. Die dafür nötigen Optiken sind zudem planar und leicht in Massenanfertigung herzustellen, wie die Wissenschaftler berichten.

„Das eröffnet einen Weg, praktisch anwendbare Geräte herzustellen, nicht nur verkleinerte Versionen der Laboranlagen“, erklärt McGehee. „Indem wir diese Lasertechnik kleiner und weniger kompliziert machen, kann die Laserkühlung künftig auch außerhalb der Labore eingesetzt werden.“ Die miniaturisierte Anlage sei zudem ein Beleg dafür, dass künftig auch eine in Mikrochips integrierte Laserkühlung machbar sei.

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Drei entscheidende Komponenten

Konkret besteht die neue Mini-Laserkühlung aus drei optischen Schlüsselkomponenten. Die erste ist ein Konverter, der das Licht eines Laserstrahls von 780 Nanometer Wellenlänge aufweitet. Der anfangs dünne Strahl wird dabei um das 280-Facher verbreitert, ohne dass die Kohärenz der Photonen verloren geht.

Laserkühlung 2
Die Komponenten des Systems: Ein photonischer Schaltkreis dient als Laserquelle (PIC), der Strahl wird durch einen Konverter  aufgeweitet und durch eine Metaoberfläche (MS) weiter verändert. Ein Gitter spaltet den Strahl auf, der dann in der magnetooptischen Falle (MOT) die Atomwolke kühlt. © NIST

Die zweite Komponente ist ein nanostrukturiertes Metamaterial – ein Dünnfilm mit unzähligen Nano-Säulen auf der Oberfläche. Ihre Anordnung beeinflusst die optischen Eigenschaften des Laserstrahls weiter: Der Strahl wird noch einmal um das Hundertfache aufgeweitet, gleichzeitig verändern die Nanosäulen die Polarisation des Lichts und die Intensität im Strahl: Während ein Laserstrahl normalerweise im Zentrum am hellsten ist, sorgt das Metamaterial für eine gleichmäßige Verteilung der Intensität im gesamten Strahlquerschnitt.

Die dritte Komponente ist ein Diffraktionsgitter – eine optische Apparatur, durch die der aufgeweitete und in seiner Intensität geebnete Laserstrahl in drei Strahlpaare aufgeteilt wird. Diese werden so umgelenkt, dass sie die in einer kleinen Kammer gefangene Atomwolke von entgegengesetzten Seiten treffen. Dies bewirkt die Laserkühlung. Im Test kühlten die Forscher mit dieser Apparatur eine Wolke von Rubidiumatomen auf weniger als 200 tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt herunter.

Auf dem Weg zur chipbasierten Laserkühlung

Noch ist diese Miniatur-Laserkühlung etwa um das Zehnfache zu groß, um in einen Mikrochip integriert zu werden. Aber McGehee und seine Kollegen sind zuversichtlich, dass auch dies noch gelingen wird. Sie sehen in ihrer Technologie einen vielversprechenden ersten Schritt zum Einsatz der Laserkühlung in Quantencomputern und quantenbasierten Sensoren, aber auch in einer neuen Generation von Atomuhren oder einem neuen chipbasierten Navigationssystem. (New Journal of Physics, 2021; doi: 10.1088/1367-2630/abdce3)

Quelle: National Institute of Standards and Technology (NIST)

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