Grundlagen der Laserkühlung
Wird Licht an einem Gegenstand gestreut (dabei kann es sich um einen Spiegel oder ein einzelnes Atom handeln), so übt es eine Kraft auf diesen aus. Dieser Strahlungsdruck wurde schon von Kepler als Erklärung dafür vorgeschlagen, dass Kometenschweife stets von der Sonne weg weisen. Verwendet man spektral schmalbandiges Laserlicht, so kann man Atome, die dem Laserstrahl entgegenfliegen, abbremsen, indem man die Frequenz des Lasers etwas unterhalb einer Resonanzfrequenz des Atoms wählt. Durch den Dopplereffekt wird dieses Licht für das bewegte Atom in Resonanz gebracht und kann absorbiert werden. Die dann vom Atom wieder abgestrahlten Photonen haben eine etwas höhere Frequenz (und damit eine höhere Energie) als die absorbierten Laserphotonen. Der fehlende Energiebetrag wird der Bewegungsenergie der Atome entzogen - sie werden abgekühlt. Da die Atome vom optisch angeregten Zustand nach einigen 10 ns wieder in den Grundzustand übergehen, wiederholt sich der Absorptions-Emissions-Prozess sehr schnell. Mit einer Anordnung aus sechs Laserstrahlen kann man die Bewegung der Atome entlang aller Richtungen verlangsamen und erhält eine Wolke kalter Atome in einer sogenannten "optischen Melasse", wie sie im Bild skizziert ist.
Die Temperatur der Atome sinkt dabei bis in den Bereich von einigen Mikrokelvin. Die mittlere Geschwindigkeit eines Caesium-Atoms liegt bei
1 mK nur noch im Bereich von 10 mm/s, während sie bei Raumtemperatur (300 K) noch 150 m/s ist (etwa 500 km/h). Beim Durchflug durch den Resonator einer Atomuhr steht ein lasergekühltes Atom also für eine viel längere Zeit zur Verfügung und erlaubt damit eine präzisere Messung seiner Resonanzfrequenzen.
Ist das Atom oder Ion in einer Falle gespeichert, so kann es nur noch eine Schwingungsbewegung in einem begrenzten Raum ausführen. Die bei der Kühlung gestreuten Photonen reichen aus, um einzelne Atome zu beobachten. Durch Laserkühlung kann man die Amplitude und die Energie der Schwingungsbewegung bis an das von den Gesetzen der Quantenmechanik gegebene Minimum reduzieren.