Das Experiment

Abb. 1. Kastler-Diagramm zurn Optischen Pumpen von Alkali-Atomen.

Modellversuch zurn Optischen Pumpen

Bestrahlt man ein Atomensemble, das sich in einem Magnetfeld befindet mit zirkular polarisiertem Licht, so kann eine Umbeset- zung des Grundzustandes, d. h. eine ma- kroskopische Polarisierung, erreicht wer- den. Dieses Verfahren (nach A. Kastler, der 1966 mit dem Physik-Nobelpreis ausge- zeichnet wurde) beruht auf der Obertra- gung von Drehimpuls einer elektromagne- tischen Welle auf das Atomensemble.

Der Grundzustand der Alkaliatome ist ein SlIe-Zustand, d. h. der Bahndrehimpuls ist null. Damit ist der Gesamtdrehimpuls gleich dem Spin des a d e r s t e n Hullenelek- trons, wenn wir den Kernspin vernachlas- sigen. Fur einen solchen Zustand gibt es aufgrund einer quantenmechanischen Re- gel nur zwei Einstellungsmoglichkeiten: parallel und antiparallel zurn Magnetfeld. Diesen Orientierungen (in Abbildung 1

durch +1/2 und -1/2 charakterisiert) ent- sprechen im Magnetfeld zwei Niveaus, die energetisch nur wenig voneinander getrennt sind und daher im thermodynamischen Gleichgewicht bei Zimmertemperatur prak- tisch gleich stark besetzt sind.

Eine Umbesetzung dieser beiden Niveaus erreicht man durch Anregung des Atomen- kembles mit zirkular polarisiertem Licht. Dadurch kommt auch der angeregte P-Zu- stand mit ins Spiel. Durch die Feinstruktur ist e r in die Niveaus P312 und Pl/z aufge- spalten; das Magnetfeld bringt eine weitere Aufspaltung rnit Einstellungen k 3/2 und +1/2 (siehe Abb. 1). Obergange nach oben konnen wegen der sog. o+-Polarisation des Lichtes, das eine Drehimpulseinheit mit- bringt, nur nach rechts erfolgen, also z. B. von 2Sl,2(-1/2) nach 2Pl/2(+1/2). (Wenn entsprechende optische Filter verwendet wer- den, wird der Zustand dabei nicht ange- regt). Durch Emission von Licht unter Kon- stanz oder Knderung des Drehimpulses rnit Wahrscheinlichkeiten 1 bzw. 2 wird der Grundzustand wieder bevolkert. Wieder- holte Anregung aus dem Niveau - 1/2 und nachfolgende Emission fiihren schliei3- lich zu einer 100%igen Besetzung des Ni- veausf 1/2; das Atomensemble ist vollig polarisiert.

Durch Stofie mit Nachbaratomen und rnit der Wand sowie durch Einstrahlung eines magnetischen Wechselfeldes der richtigen Frequenz kann diese Polarisation (unge- wollt oder gewollt) wieder zerstort werden. Man nennt diesen Vorgang Relaxation.

U m die Wirkung der Relaxation auf den Pumpmechanismus qualitativ studieren zu konnen, kann man sich ein einfaches Mo-

dell bauen. Niveaus werden am besten durch Glasbehalter dargestellt, Ubergangs- moglichkeiten (also Anregung, Emission, Relaxation) durch Schlauche mit Ventilen oder Hahnen. Die Besetzung kann durch eine zirkulierende gut sichtbare Flussigkeit (wie war's mit HimbeersaR oder Rotwein?) dargestellt werden. Zur Anregung benotigt man eine Umwalzpumpe.

DasModell bleibt sehr einfach, solange man sich nur mit dem Pl/e-Niveau befafit: es genugen die Puinpleitung aufwarts und die Emissions-Leitungen abwarts; letztere SO&

ten ein Flachenverhaltnis von 1:2 haben. (siehe Abb. 1). Sol1 Relaxation auftreten, so verbindet man die Behalter innerhalb eines Niveaus noch rnit Leitungen, bzw. offnet ein Ventil.

Zunachst beginnt man mit Relaxation im PlIa-Niveau, man sieht, dafi die Besetzung des Sl12 ( f 1/2)-Niveaus langsamer verlauft als ohne Relaxation. Sol1 Relaxation im P3iz-Zustand vorgefuhrt werden, ist eine relative Anregungsrate Sl/2(-1/2) -+ P3/2

( f1 /2) und S1/Z(f1/2) + P3&3/2) fur optische Dipolubergange von 1 :3 einzuhal- ten. Bei sehr starker Relaxation verbindet man am besten die 4 Behalter durch d i k e Rohre. Die Emissionsraten sind aus Abb. 1 zu entnehmen. Man stellt fest, dai3 in die- sem Fall nicht das Niveau +1/2 voll wird, sondern sich ein Besetzungsverhaltnis fur das +1/2- zurn -1/2-Niveau von 1:3 er- gibt.

Hinweis: Der SaR bzw. Wein sollte nach geglucktem Experiment auf A. Kastlers Wohl gehoben werden.

E. Luscher und J. Fricke

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