31.12.2007
Wechselwirkende kalte und ultrakalte Atome spielen eine wichtige Rolle bei aktuellen Fragestellungen der Quantenoptik und bei der präzisen Messung atomarer Parameter. So bestimmen die atomaren Wechselwirkungen das Verhalten von Bose-Einstein-Kondensaten, ihre Stabilität und ihr Verhalten in externen Feldern. Da ultrakalte atomare Gase bei den präzisesten Uhren und für die Realisierung der Sekunde verwendet werden, ist ein genaues Verständnis der kalten Stöße entscheidend zur Verringerung der Unsicherheit dieser Normale.
Die Wechselwirkung in lasergekühlten atomaren Gasen ist durch Zwei-Körper-Stöße dominiert. Bei tiefsten Temperaturen tragen nur wenige Partialwellen bei, wobei die niedrigste Partialwelle (s-Welle) durch einen Parameter, die so genannte Streulänge charakterisiert wird.
In einer Zusammenarbeit zwischen der Leibniz Universität Hannover und der PTB wurde die Wellenfunktion stoßender 40Ca ausgemessen, wie sie in einem optischen Frequenznormal der PTB verwendet werden. Im Experiment wurde die Photoassoziation verwendet, ein Prozess bei dem zwei stoßende Atome durch resonante Laserstrahlung in einen angeregten, gebundenen Molekülzustand angeregt werden (Abb. 1).
Prinzip der Photoassoziation: Zwei stoßende Atome (unten) werden resonant in einen langreichweitigen molekularen Zustand (oben) angeregt. Die Potentiale sind in rot dargestellt, die entsprechenden Wellenfunktionen in schwarz. Die Anregung in verschiedene molekulare Vibrationsniveaus (blaue Linien) tastet die Streuwellenfunktion bei verschiedenen Kernabständen ab (a0: Bohrscher Atomradius).
Die Anregung wurde als zusätzlicher Verlust von Calcium-Atomen aus der magneto-optischen Falle detektiert. Die Lage der Resonanzen liefert Informationen über die angeregten Molekülniveaus, aus der die Lebensdauer des atomaren Niveaus mit hoher Genauigkeit bestimmt werden konnte.
Gemessene (Punkte) und für verschiedene Streulängen (Bohrscher Atomradius a0 5.3·10-11 m) berechnete Photoassozationsspektren des 80. und des 72. Vibrationsniveaus unterhalb der Dissoziations-Asymptote.
Die beobachteten Resonanzen enthalten jedoch noch weitere Informationen: Die relative Stärke der verschiedenen Rotations- und Vibrationsübergänge spiegeln (entsprechend des Franck-Condon-Prinzips) die Amplitude der Streuwellenfunktion bei entsprechenden Kernabständen wider. Aus dem Vergleich der beobachteten Profile mit den theoretisch berechneten war es daher möglich, die Streulänge des 40Ca Grundzustands mit hoher Genauigkeit zu bestimmen und eine die theoretische Beschreibung der Photoassoziation kalter Moleküle sehr präzise zu überprüfen.