Kollektivität bei der Lichtstreuung
Die Bewegung von Photonen in einer dichten Gaswolke ähnelt der Flugbahn eines kleinen Balls, der auf einer Tanzfläche von den Tänzern hin und her geschubst wird. Aber es gibt einen entscheidenden Unterschied: Photonen sind Quantenteilchen und kollektive Streuung führt zu spannenden Phänomenen. Zum Beispiel können Photonen auf kleinen Unebenheiten in der Gaswolke eingefangen werden. EU-finanzierte Forscher aus Brasilien und Europa haben sich zusammengeschlossen, um diese Phänomene zu untersuchen, indem sie atomare Gase, deren Temperatur etwa ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt lag, mit Lasern beschossen. Solche ultrakalten Gaswolken sind ideale Modellsysteme, weil die Forscher die Dichte sowie die Anordnung der Atome kontrollieren konnten. Die erste Forschungslinie innerhalb des Projekts COSCALI (Collective scattering of light) erforscht konzentrierte sich auf Quantengase, in denen Licht in Art einer Superstrahlung zerstreut werden kann. Ziel war es, die Rolle von Quantenphänomenen zu beleuchten, deren Kollektivität durch die Positionierung von Atomen in einer Ringkavität hoher Güte verstärkt wurde. Insbesondere in solchen optischen Gittern wurden gestreute Photonen oft recycelt, was zu einer Erhöhung der Wechselwirkungszeit zwischen Atomen und Licht führte. Diese Bemühungen wurden von der Aussicht auf Dämpfung von Unterschieden zwischen unabhängigen Bose-Einstein-Kondensaten motiviert. Diese Möglichkeit kann einen Nachfüllmechanismus für Atomlaser bieten. Andererseits waren kalte thermische Wolken mit sehr hohen Dichten, die mithilfe einer neuen Technik erzeugt wurden, ideale Systeme für die Prüfung von Störeffekten. Insbesondere untersuchten die Forscher die Auswirkungen von Störungen in den Wolken. Diese Arbeit bietet wertvolle Einblicke in das Zusammenspiel von Lichtlokalisation in kalten Atomen und Superstrahlung. Alle experimentellen Arbeiten im Rahmen von COSCALI bauten auf soliden theoretischen Grundlagen auf. Die Forscher entwickelten eine detaillierte Beschreibung der Dynamik eines Multiatomsystems, eingefangen von einem Resonanzlaserfeld. Mit diesem Quantenmodell wurden die Atomimpulsverteilung, das Auftreten von Verschränkung und die Verbesserung von Superstrahlung untersucht. Die Kombination von theoretischen mit experimentellen Arbeiten führte zu einem besseren Verständnis davon, wie Licht mit einer Kollektivität von Atomen interagiert. Noch wichtiger ist, dass COSCALI eine einmalige Chance für eine enge Zusammenarbeit zwischen Brasilien und Europa in der Forschung von Lichtstreuung bot, indem es den kurzfristigen Austausch von Forschern förderte.
Schlüsselbegriffe
Lichtstreuung, dichte Gaswolke, Plasma, Superstrahlung, Bose-Einstein-Kondensate, Atomlaser
