Effizienter Einfang ultrakalter Strontium Atome in ein optisches Gitter

An Atomen, die in einem optischen Gitter bei der so genannten „magischen Wellenlänge“ gespeichert sind“ (Abb. 1), können extrem schmale Linien ungestört beobachtet werden. Diese Verfahren wird für zukünftige optische Atomuhren höchster Genauigkeit eingesetzt. Um eine hohe Stabilität dieser Uhr zu erreichen, ist es erforderlich, eine hohe Zahl von Atomen in kürzester Zeit in dieses Gitter zu laden.

Abb. 1: Schematische Darstellung eines optischen Gitters. Die Atome werden in den Intensitätsmaxima der stehenden Welle Gitters gefangen. Bei der „magischen Wellenlänge ist die Verschiebung zwischen den beiden Zuständen der Uhr genau gleich und damit kann die Linien ungestört beobachtet werden.

Im Aufbau der PTB werden Strontiumatome durch Laserlicht abgebremst, in eine magneto-optische Falle geladen und dort bis auf 1 µK abgekühlt. Gleichzeitig wird eine Stehwelle bei der magischen Wellenlänge (813 nm) mit 600 mW Leistung mit den ultrakalten Atome überlagert. 

Die Atome werden beobachtet, indem der Schatten, den die Atomwolke durch die Absorption eines resonanten Laserstrahls wirft, mit einer CCD Kamera aufgenommen wird. Eine Reihe von Absorptionsbildern (Abb. 2), die für verschieden Zeiten nach Abschalten der magneto-optischen Falle aufgenommen wurden, zeigt die in dem optischen Gitter gefangenen Atome und die unter dem Einfluss der Schwerkraft fallende Wolke der nicht gespeicherten Atome.

Abb. 2: Absorptionsbilder in Falschfarbendarstellung von Strontiumatomen als Funktion der Zeit nach Abschalten der magnetooptischen Falle. Die nicht gespeicherten Atome fallen nach unten, die im Gitter gespeicherten Atome sind als in der Linie enthalten.

Nach einer gesamten Kühlzeit von 150 ms erhalten wir ca. 10⁵ Atome im optischen Gitter bei einer Temperatur von wenigen µK. Im Mittel bleiben die Atome 1,7 Sekunden im Gitter gespeichert, bevor sie durch Stöße mit Restgasatomen (Druck 4 . 10-10 mbar) aus der Falle gestoßen werden. Damit steht ausreichend Zeit zur Verfügung, um den Uhrenübergang bei 698 nm mit wenigen Hertz Linienbreite zu beobachten.