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20.09.09 · 11:30 Uhr

Der Phononen-Laser

Kategorie: Naturwissenschaften  ·  Kommentare: 2

Na sowas, nach dem Oberflächen-Plasmonenlaser jetzt auch noch der Phononenlaser? Das passt ja wieder.

Rekapitulieren wir noch einmal, welche Komponenten wir beim simplen Laser hatten:
Wir haben eine Menge gleicher Atome (z.B. in einem Festkörpergitter), und stellen eine Inversion her, das heißt mehr Atome haben Elektronen in einem angeregten Zustand als im Grundzustand. Das erreicht man durch Pumpen, also Eingeben von Energie in passenden Paketen, bzw. dies ist die 'Amplifikation' für die das A im Namen 'Laser' steht. Die Inversion ist NICHT erforderlich um einen Laser zu haben, aber für einen optischen Laser muss man es so tun. Wenn jetzt ein Atom sich abregt und ein Photon aussendet, stimuliert das andere Atome, es ihm gleich zu tun, und eine ganze Lawine von gleichartigen Photonen wird ausgelöst. Das ist die 'stimulierte Emission' von 'radiation', das S, E und R im Namen des Lasers.

Jetzt stellen wir uns die Aufgabe: Wenn so ein Laser eine Quelle von gleichartigen Photonen darstellt, schaffen wir es, eine Quelle gleichartiger Phononen, also gequantelter Schwingungen, zu erzeugen? In Festkörpern wird dies seit langem versucht, jetzt aber demonstrierten Forscher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching um Autor K. Vahala und Laserpapst Theodor Hänsch in Nature Physics (DOI: 10.1038/ NPHYS1367) stimulierte Emission von Phononen an einem einzigen, in einer Ionenfalle sitzenden Magnesiumion.

Laserkühlung

Für das Experiment nahmen sie also ein gefangenes Ion und quälten es mit verstimmten Laserstrahlen...zunächst schauen wir uns die Laserkühlung an. Stellen wir uns ein einzelnes Ion vor, dessen Massenschwerpunkt festgehalten ist. Jetzt denken wir, was Temperatur eigentlich bedeutet: Ungeordnete Schwingungen um diesen Massenschwerpunkt. Das besondere an der Falle, in der das Ion sitzt, ist dass es in einem harmonischen Potential gefangen ist - wie ein Kind auf einer Schaukel kann es sich aus dem tiefsten Punkt auslenken und wird wieder in den Grundzustand zurückschwingen. Jetzt stellen wir uns vor, das Kind auf der Schaukel schwingt hin und her, und wenn es auf uns zukommt, geben wir ihm einen kleinen Schubs. Das wird zur Folge haben, dass das Kind abgebremst wird. Im Fall des Ions müssen wir dazu wissen, dass das Ion Photonen einer bestimmten Frequenz aufnehmen kann - das würde es anregen. Jetzt nimmt man einen Laser, dessen Frequenz knapp unter dieser Frequenz liegt, und man nutzt den Dopplereffekt aus: Durch die Bewegung wird die Frequenz etwas verschoben. Und dann, und nur dann, wenn es sich dem kühlenden Laser entgegenbewegt, kann es dessen Photonen aufnehmen und erhält einen Kick in die Gegenrichtung - es wird gekühlt. Man sorgt dafür, dass der kühlende Laser alle drei Richtungen abdeckt und kann so dessen Temperatur (mittlere Energie) auf 1 Tausendtel Kelvin senken.
Jetzt habe ich noch das falsche erklärt - aber mit dem Dopplereffekt ist es leichter zu erklären. Bei der Ionenfalle setzt man eigentlich Seitenbandkühlung. Denn das Ionen in der Falle kann - Quntenmechanik sei Dank - nur bestimmte Schwingungszustände annehmen. Mit der Seitenbandkühlung nimmt man ihm Energie aus benachbarten möglichen Zuständen - den Seitenbändern.

Heizung

Jetzt nimmt man einen blau-verstimmten Laser - analog gibt man dem Kind auf der Schaukel, wenn es sich von uns wegbewegt, noch einen Schubs. Einfach würde man jetzt vermuten, dass dadurch Energie in die ungeordnete thermische Bewegung des Ions gesteckt wird.
Im Experiment wurde es so eingerichtet, dass in alle Richtungen gekühlt wurde, aber der heizende Laser nur in einer Schwingungsachse eintraf. Während die Intensität der Kühlung konstant blieb, wurde langsam die Intensität des heizenden Lasers hochgefahren. Dabei kann man die Bewegung des Ions aufzeichnen:

Man sieht, wie zunächst die Stärke der ungeordnete thermischen Bewegung zunimmt - dann aber etwa ab der Mitte des Bildes in eine kohärente, harmonische Schwingung übergeht. Und in ihrem Paper können die Forscher zeigen, dass dieser Übergang zu kohärenten Schwingungen quantenmechanisch einen Phononenlaser darstellt. Wir haben durch den kühlenden Laser eine Stabilisierung, dann durch den heizenden Laser eine 'Amplifikation'. Und diese besondere, kohärente Schwingung kommt daher, dass das Ion 'spontan' Phononen 'emittiert'! Es sind alle Zutaten da - die Erzeugen gequantelter, gleich großer Schwingungspakete bedeutet - dieses System stellt einen Phononenlaser dar.

 

Autor: Jörg· 2 Kommentare· Permalink· Trackback-URL

Tags: forschung· ionenfalle· laser· laserkühlung· laserphysik· max-planck-institut· oszillator· phononen· photonen· physik· quantenmechanik· quantenphysik· theodor hänsch