Magische Wellenlänge von Rubidium

Sogenannte „magische Wellenlängen“, bei denen die auf Atome wirkenden Lichtkräfte besondere „magische“ Verhältnisse bilden, finden umfangreiche Verwendung in Anwendungen in der heutigen Atomphysik - von der  Spektroskopie und Metrologie bis zur Herstellung von Zustands- und Spezies-spezifischer Fallen für ultrakalte Quantengase. Wie von OPTIMAS-Wissenschaftlern gezeigt, bilden sie außerdem eine hervorragende Testumgebung zur Untersuchung normalerweise vernachlässigbarer Einflüsse der Lichtpolarisation, von magnetischen Feldern und inneren Elektronenschalen auf die Wechselwirkung von Licht mit Atomen. 

Üblicherweise wird die elektronische Struktur von Atomen untersucht, indem man das Farbspektrum der Atome beobachtet, also die Farbe des Lichtes, das von den Atomen abgestrahlt oder absorbiert wird. Jedoch ist diese Wechselwirkung der Atome mit Licht nicht einseitig. Tatsächlich „verbiegt“ eingestrahltes Licht die innere Struktur der Atome und übt dadurch eine Kraft auf die Atome aus. Diese Eigenschaft haben sich OPTIMAS-Wissenschaftler zu Nutze gemacht, um Rubidiumatome bei ultrakalten Temperaturen zu untersuchen. Sie bestrahlen die Atome für wenige Mikrosekunden mit zwei gegenläufigen Laserstrahlen bei einer Wellenlänge von 790 Nanometer und treffen damit die „magische Wellenlänge“, bei der sich die stärksten Gegenspieler der Lichtkraft gegenseitig ausspielen. Während diese starken Gegenspieler schon hinlänglich bekannt und gut verstanden sind, entscheiden schon kleinste, bisher kaum zu beobachtende Einflüsse über den Ausgang des Tauziehens.

Mit ihrer Präzisionsmessung können die Forscher daher Effekte beobachten, die um drei Größenordnungen kleiner sind als die dominanten Gegenspieler – solche Effekte, die sich aus der Polarisation des Lichtes oder der Orientierung des Hintergrundmagnetfeldes ergeben. Außerdem können Effekte von Elektronen in abgeschlossenen Schalen des Atoms beobachtet werden, die mit üblichen Spektroskopiemethoden nicht zugänglich sind.

Die gewonnenen Erkenntnisse konnten dabei helfen, die „magische Wellenlänge“ für atomphysikalische Anwendungen einfacher zugänglich zu machen, und auch, das Verständnis der Licht-Atom-Wechselwirkung weiter zu vervollständigen.

Die Untersuchungen der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Artur Widera wurden kürzlich veröffentlicht:
Felix Schmidt, Daniel Mayer, Michael Hohmann, Tobias Lausch, Farina Kindermann, and Artur Widera:
Precision measurement of the ⁸⁷Rb tune-out wavelength in the hyperfine ground state F = 1 at 790 nm
PHYSICAL REVIEW A 93, 022507 (2016)
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevA.93.022507