Stunden Dauerlasern mit ultrakalten Strontium-Atomen gelingt erstmals

In einer Vakuumkammer, gekühlt auf wenige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, beginnt plötzlich eine Art Lichtglocke zu "klingen" - ausgelöst von Atomen, die sich wie von selbst organisieren und über Stunden hinweg stabil Laserlicht aussenden.

Atome im Dauerbetrieb: Laser-Revolution geglückt

Was normalerweise nur in kurzen Pulsen funktioniert, konnte nun dauerhaft aufrechterhalten werden: Ein Team aus Boulder im US-Bundesstaat Colorado hat gezeigt, dass sich ein Kaltatomlaser kontinuierlich betreiben lässt - mit Eigenschaften, die für viele Zukunftstechnologien entscheidend sein könnten. Der Aufbau könnte nicht nur neue Maßstäbe bei Präzisionslasern setzen, sondern auch das Verständnis von Licht-Materie-Wechselwirkungen erweitern.

Im Labor von JILA, einer Einrichtung der University of Colorado Boulder und des National Institute of Standards and Technology (NIST), gelang es, Strontium-88-Atome auf rund zehn Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen. Die Atome wurden in einer ringförmigen optischen Kavität eingefangen, einer Art Lichtresonator, der wie ein akustisches Instrument bestimmte Frequenzen "verstärken" kann. Der eigentliche Versuch zielte auf den Bau eines superpräzisen Lasers - doch dabei zeigte sich ein bisher unbekannter Effekt.


Statt kurzzeitigem Laserpuls sendete das System über Stunden hinweg kontinuierlich Licht, ohne dass der Resonator wie üblich nachgestimmt oder mit neuen Atomen versorgt werden musste. Das lag an einem physikalischen Mechanismus: Atome absorbieren ein Photon und stoßen ein neues aus - dabei verändert sich ihr Bewegungszustand. Diese wiederholten Prozesse hielten das Lasern aufrecht.

Ein zentraler Punkt ist, dass die Frequenz des erzeugten Lichts erstaunlich stabil blieb - auch wenn die Forscher versuchten, die Resonanz des Systems aktiv zu verändern. Prof. James K. Thompson vergleicht die Kavität mit einer Glocke: "Unsere Glocke hat einfach weiter auf ihrer eigenen Frequenz geläutet, egal was wir versucht haben." Laut Erstautorin Dr. Vera Schäfer sorgte ein Rückkopplungseffekt im Zusammenspiel aus Energiezufuhr und atomarer Bewegung dafür, dass sich das System selbst stabilisierte.

Die Atome brachten diese ‚Glocke‘ zum Klingen und erzeugten dabei Licht. Als wir genauer untersuchten, woher dieses Licht kam, entdeckten wir eine ganze Reihe ungewöhnlicher Phänomene

Licht und Schatten

Phys berichtet, dass diese Dauerlaser-Effekte nur durch den durchgehenden Betrieb des Aufbaus sichtbar wurden. Bisherige Versuche in ähnlichen Systemen waren meist zyklisch - also mit kurzen Messphasen und regelmäßiger Neubefüllung. Der Doktorand Zhijing Niu erklärt dazu: "Wir laden und kühlen unsere Atome nun kontinuierlich, nicht schubweise wie die meisten anderen."

Das Projekt liefert neue Erkenntnisse zur Wechselwirkung von Licht und Materie. Gleichzeitig zeigt es, wie wichtig kontinuierlich arbeitende Quanten-Experimente für die Grundlagenforschung sind. Die gewonnenen Daten sollen künftig beim Bau von optischen Atomuhren, leisen Lasern oder Quantencomputern genutzt werden. Die Technik erlaubt extrem schmale Frequenzbereiche - entscheidend für präzise Messungen in der Zeit- und Raumforschung.


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