Beschleunigung von Atomen in einer intensiven stehenden Lichtwelle

Laserinduzierte atomare Starkfeldprozesse werden experimentell fast ausnahmslos mit fortschreitenden (laufenden) elektromagnetischen Laserfeldern untersucht. Zur Erklärung auftretender Phänomene wird das Laserfeld meistens als ein rein klassisches, am Ort des Atoms nur in der Zeit oszillierendes elektrisches Feld betrachtet. In dieser Näherung ist ein Impulsübertrag auf den Schwerpunkt des atomaren Systems, und damit eine Richtungsablenkung, nicht möglich. Wissenschaftler des MBIs haben nun erstmals Atome in einer intensiven stehenden Welle aus Licht von extrem kurzer Dauer abgelenkt. Die untersuchten Heliumatome, die die intensive Wechselwirkung mit der stehenden Lichtwelle überleben, werden auf Grund des ortsfesten Intensitätsgefälles äußerst stark in Laserrichtung beschleunigt. Die experimentellen Ergebnisse können theoretisch nur erklärt werden, wenn sowohl das Intensitätsgefälle als auch die erzeugten Magnetfelder mit in die Berechnungen einbezogen werden.

Die grundlegende Idee zur Beugung bzw. Ablenkung von atomaren Teilchen in einer stehenden Lichtwelle wurde bereits im Jahre 1933 von den Physikern Kapitza und Dirac in einer theoretischen Arbeit für Elektronen formuliert. Da Elektronen nur schwach mit einer stehenden Welle wechselwirken, bedurfte es intensiver Laserstrahlung, um den Kapitza-Dirac Effekt vor ungefähr 15 Jahren experimentell zu beobachten. Für die Beugung und Ablenkung von Atomen reichen hingegen bereits geringe Lichtintensitäten aus, da die Stärke des Prozesses durch resonante Erhöhung der Wechselwirkung bzw. der Verwendung ultrakalter langsamer Atome verstärkt wird. Der Prozess ist in der Atom- bzw. Quantenoptik von immenser Bedeutung.

Abb. 1 Skizziert ist der apparative Aufbau. Ein gebündelter thermischer Strahl von Heliumatomen wird einem stehenden Lichtfeld ausgesetzt, das durch Interferenz zweier gegenläufiger Laserpulse für ungefähr 40fs über einen Raumbereich von ∼20 µm erzeugt wird. Die Ablenkung des Atomstrahls wird mit einem ortsempfindlichen Detektor gemessen, wobei der Auftreffort eines jeden einzelnen abgelenkten Heliumatoms gemessen wird. Ohne die Kräfte der stehenden Welle bestünde das Detektorsignal nur aus einem kleinen Fleck in der Mitte, erzeugt durch nicht abgelenkte Heliumatome (gestrichelter Kreis). Tatsächlich wird aber eine breite Verteilung gemessen, wie auf dem Detektorbild ersichtlich ist. Wie kann man sich die Kräfte, die auf das Atom wirken, vorstellen? Atome in einem laufenden Lichtfeld, in dem sich die elektromagnetischen Felder periodisch im Ort und in der Zeit auf- und abbauen, erfahren keine beschleunigenden Kräfte. Dieses ähnelt einem schwimmenden Objekt auf einer Wasseroberfläche, das von einer Welle zwar periodisch auf und ab bewegt wird, aber seine horizontale Position im Wesentlichen nicht ändert. Friert man Wellenberge und –täler hingegen kurzfristig ein, so wie auch die elektromagnetischen Felder in der stehenden Welle kurzfristig ortsfest sind, so kann man sich leicht vorstellen, dass das Objekt in Richtung Wellental hinunterrutscht. Beschleunigt wird es in diesem Fall durch die Schwerkraft, die im atomaren Fall durch die ponderomotive Kraft ersetzt wird.

Im Fachjournal Physical Review Letters in der Ausgabe vom 21. März 2014 haben nun S. Eilzer, H. Zimmermann und U. Eichmann eine Arbeit veröffentlicht, in der sie erstmals Atome in einer intensiven stehenden Lichtwelle abgelenkt haben, die mit Hilfe zweier entgegenlaufender kurzer Laserpulse nur für ein Vielfaches des milliardsten Teils einer millionstel Sekunde erzeugt wird, siehe Abbildung 1. Damit wurde der Kapitza-Dirac Effekt für Atome nun auch in einem Bereich von Laserintensitäten demonstriert, bei denen Atome sowohl durch die vorherrschende Feldstärke als auch durch das extreme Intensitätsgefälle mit hoher Wahrscheinlichkeit ionisieren, d.h., das ein Elektron aus dem Atomverbund herausgelöst wird. Das dieses nicht notwendigerweise immer passiert und stattdessen das gesamte unbeschädigte Atom beschleunigt wird, liegt an dem erst kürzlich am MBI erforschten Prozess der unterdrückten Tunnelionisation, bei dem das Elektron zwar während des Laserpulses im großen Abstand vom Atomrumpf oszilliert, aber letztendlich nicht genügend Energie aus dem Laserfeld aufnimmt, um sich aus den Fängen des attraktiven Atomrumpfes zu befreien. Während dieser Zeit spürt das Elektron die sogenannte ponderomotive Kraft, die durch seine quasi-freie periodische Bewegung im Intensitätsgefälle verursacht wird. Da das Elektron schließlich gebunden bleibt, wird diese Kraft, die entlang der Laserstrahlachse wirkt, auf das gesamte Atom übertragen und führt zur dessen Ablenkung. In Fortsetzung früherer Experimente, die die atomare Beschleunigung in einem starken fokussierten Lichtfeld untersuchten, ist das Intensitätsgefälle in der stehenden Lichtwelle nun über atomare Dimensionen bedeutsam und beeinflusst daher auch die atomare Dynamik, siehe Abbildung 2. Die theoretische Beschreibung sowohl der Elektronendynamik als gleichzeitig auch der atomaren Schwerpunktsbewegung in einer stehenden Welle stellt eine große Herausforderung an die derzeitige Starkfeldtheorie. In weiteren Experimenten soll gezielt der Einfluss des starken Intensitätsgefälles auf die atomare Dynamik untersucht werden.

Abb. 2 Die rote und blaue Kurve zeigen Geschwindigkeitsverteilungen, die aus den gemessenen Ablenkungen bestimmt wurden, für stehende Wellen, die aus zwei elliptisch polarisierten gegenläufigen Laserpulsen mit Elliptizität ∈=0.85 bzw. 0.6 erzeugt wurden. Untersuchungen zur Abhängigkeit von der Laserintensität haben für den ersten Fall ergeben, dass die Ablenkung der Atome dadurch begrenzt wird, dass sie oberhalb eines bestimmten Intensitätsgradienten ionisieren. Aufgrund der geänderten Polarisation können im zweiten Fall hingegen Atome fast doppelt so stark abgelenkt werden, ohne dass sie ionisieren. Dieses liegt offensichtlich daran, dass dynamische Prozesse die Ionisation verhindern. Obwohl ein qualitatives Verständnis erreicht wurde, siehe die an die Daten angepasste schwarze Kurve, steht eine quantitative Bestätigung der Nichtionisation bei gleichzeitiger Beschleunigung im Rahmen einer quantenmechanischen Starkfeldtheorie noch aus.

Originalpublikation

Strong-field Kapitza-Dirac scattering of neutral atoms

S. Eilzer, H. Zimmermann, U. Eichmann

Physical Review Letters 112 (2014) 113001/1-5

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