Atomare Kohärenz

In der Physik bezeichnet atomare Kohärenz die induzierte Kohärenz zwischen den Energieniveaus eines atomaren Mehrniveausystems und einem elektromagnetischen Feld.

Der innere Zustand eines Atoms ist durch eine Überlagerung angeregter Zustände und ihrer zugehörigen Energieniveaus charakterisiert . In Gegenwart externer elektromagnetischer Felder erfahren die Energieniveaus des Atoms Störungen der angeregten Zustände, welche den inneren Zustand des Atoms beschreiben. Ist die resultierende Phase über den gesamten Bereich der inneren Zustände gleich, so ist das Atom kohärent. Die atomare Kohärenz wird durch die Zeitspanne charakterisiert, über die der innere Zustand des Atoms zuverlässig manipuliert werden kann. ^{[ 1 ]}

Die atomare Kohärenz lässt sich durch die Kohärenzzeit charakterisieren . Beispielsweise wurde der Kontrast in Ramsey -Streifen genutzt, um die Relaxationszeit τ in einem gefangenen Ion ^{[ 2 ]} und in neutralen Atomen ^{[ 3 ]} zu messen. Ebenso kann die Kohärenzzeit durch Messung des Populationstransfers über die Zeit eines Atoms, das Rabi-Oszillationen durchläuft, charakterisiert werden ^{[ 4 ].}${\textstyle T_{2}}$

Ein Atominterferometer erzeugt kohärente Atomstrahlen, wobei die Kohärenz sich auf die Phase der de-Broglie -Welle des Atoms bezieht. ^{[ 5 ]}

Wird ein Elektron in einem Zwei-Niveau-System durch kohärente elektromagnetische Strahlung mit schmaler Linienbreite , wie beispielsweise einen Laser , angeregt , deren Resonanzfrequenz mit dem Zwei-Niveau-Übergang übereinstimmt, führt das Elektron einen Rabi-Flop aus . Während des Rabi-Flops oszilliert das Elektron zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand und kann durch eine kontinuierliche Rotation um die Bloch-Kugel beschrieben werden .

In einem perfekt isolierten System bleibt ein Teilchen, das eine Rabi-Oszillation zwischen zwei Energieniveaus ausführt, in Phase. In der Praxis führen Wechselwirkungen zwischen dem System und der Umgebung jedoch zu einer Phasenverschiebung der Rabi-Oszillation zwischen den beiden Energieniveaus, was „ Dekohärenz “ verursacht.

Wird anstelle eines einzelnen Zwei-Niveau-Systems ein Ensemble identischer Zwei-Niveau-Systeme (z. B. eine Kette identischer Atome in einer Ionenfalle ) präpariert und kontinuierlich mit einem Laser angesteuert, führen alle Atome einen kohärenten Rabi-Flop durch. Alle Zwei-Niveau-Systeme besitzen anfänglich eine definierte relative Phase, und das System ist kohärent.

Da Atome spontane Emission zeigen , akkumulieren ihre Rabi-Oszillationen eine zufällige relative Phase zueinander und werden dekohärent. In realen Experimenten führen Umgebungsfeldrauschen und thermische Erwärmung durch Atomkollisionen zu einer schnelleren Dekohärenz als die spontane Emission und stellen die dominierenden Unsicherheiten beim Betrieb von Atomuhren oder Quantencomputern mit gefangenen Ionen dar . ^{[ 6 ]} Atomare Kohärenz kann auch auf Mehrniveausysteme angewendet werden, die mehr als einen Laser benötigen.

Atomare Kohärenz ist für die Forschung an verschiedenen Effekten unerlässlich, wie etwa der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT), dem Lasern ohne Inversion (LWI), dem stimulierten adiabatischen Raman-Durchgang (STIRAP) und der nichtlinearen optischen Wechselwirkung mit erhöhter Effizienz.

Atomare Systeme, die kontinuierliche Superstrahlung demonstrieren, weisen eine lange Kohärenzzeit auf , eine Eigenschaft, die sie mit Lasern teilen. ^{[ 7 ]}

• Atominterferometer  – Ein Interferometer, das den Wellencharakter von Atomen nutzt.
• Atomoptik  – Strahlen atomarer Materiewellen mit optischen Eigenschaften
• Materiewelle  – Quantenmechanische Wellen, die Materie beschreiben
• Rabi-Zyklus  – Quantenmechanisches Phänomen