Laserkühlung mit nanostrukturierten Gitterchips

Zum Fangen und Laserkühlen von neutralen Atomen benötigt man anders als bei Ionen Laserlicht aus allen Raumrichtungen. Die Wellenlänge des Laserlichts muss hierbei an das Atom angepasst sein, da jedes Atom andere Resonanzen hat, sozusagen eine eigene Signatur. Um Laserlicht aus mehreren Raumrichtungen einzustrahlen, benötigt man allerdings komplexe optomechanische Aufbauten, die genau justiert werden müssen. Ein vielversprechender Ansatz zur Miniaturisierung einer magneto-optischen Falle (MOT) ist die Verwendung von nanostrukturierten Gitterchips. Der Gitterchip erzeugt aus einem einzelnen einfallenden Laserstrahl durch Beugung die übrigen Laserstrahlen, die zur Formung der Falle notwendig sind. Der passende Beugungswinkel und die Intensitätsbalance aller Strahlen werden durch die Optimierung der Gitterstruktur gewährleistet.

Doch bei einem Schlüsselpunkt stoßen Gitter-MOTs an ihre Grenzen: So konnte mit einem Gitterchip bisher immer nur eine Laserwellenlänge adressiert werden, was für viele Atomspezies ausreicht. Bestimmte interessante Anwendungen wie optische Uhren oder spezielle Gravimeter nutzen allerdings Atome, die mit mehreren, sehr unterschiedlichen Wellenlängen lasergekühlt werden. Die unterschiedlichen Wellenlängen führen dazu, dass sich die Richtung und Intensität der Laserstrahlen nach der Beugung am Gitter je nach Farbe unterscheiden, was einen effizienten Betrieb verhindert. Die Herausforderung, die Nutzung dieser Technologie auch zum Kühlen mit mehreren Laserwellenlängen zu ermöglichen, wurde in einem Kooperationsprojekt zwischen TU Braunschweig, DLR und PTB gelöst: Mithilfe eines neu entwickelten Gitterchips lassen sich Strontiumatome mit blauem und roten Laserlicht bis auf eine Temperatur von wenigen Mikrokelvin kühlen. Mit diesem Beitrag zur Forschung ermöglicht das Team die weitere Miniaturisierung hochgenauer Quantensensoren.