Quelltext der Seite Optisches Gitter (Quantenoptik)

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[[Datei:Lattice superfluid.JPG|mini|Schematische zweidimensionale Darstellung des Potentialverlauf (grau) eines optischen Gitters mit einer zufälligen Verteilung von Atomen (rot)]]

Ein '''optisches Gitter''' (englischer Fachbegriff ''{{lang|en|optical lattice}}'') bezeichnet in der [[Quantenoptik]] eine räumlich periodische Struktur aus [[Laserstrahlung]], in der [[Atom]]e oder [[Molekül]]e gefangen werden können.

== Funktionsweise ==
Die Struktur des optischen Gitters entsteht durch die [[Interferenz (Physik)|Interferenz]] von Laserlicht. Dabei kommt es bei geeigneter Wahl der Laserparameter zu einer [[Stehende Welle|stehenden Welle]], die aufgrund der [[Stark-Effekt|Stark-Verschiebung]] für Atome ein periodisches [[Potential (Physik)|Potential]] hervorruft. Das zugrundeliegende Prinzip ist mit dem der [[Optische Pinzette|optischen Pinzette]] identisch: das Laserlicht induziert in jedem der Atome ein [[elektrisches Dipolmoment]], dessen Wechselwirkung mit dem Licht in einer Kraft auf das Atom resultiert. Je nach Vorzeichen der [[Verstimmung (Physik)|Verstimmung]] des Laserlichts bezüglich der atomaren [[Übergangsfrequenz]] werden die Atome in die Knoten (Intensitätsminima) bzw. Bäuche (Intensitätsmaxima) der stehenden Welle gezogen. Die genaue Geometrie des erzeugten Potentials hängt von der Anordnung der Laserstrahlen und der daraus resultierenden Komplexität des Interferenzmusters ab.

== Bandstruktur ==
Das periodische Potential verändert die [[Dispersionsrelation]] für die Bewegung der Atome entsprechend dem [[Bloch-Theorem]]. Es entsteht eine Bandstruktur analog zur [[Bandstruktur|Bandstruktur der Elektronen]] in Kristallen. Mit der Geometrie des Interferenzmusters lässt sich im Prinzip auch diese Bandstruktur maßschneidern. Im Gegensatz zu Festkörpersystemen ist es in optischen Gittern zusätzlich möglich, die Potentialtiefe und damit die Bandstruktur dynamisch (also während die Atome darin sitzen) zu verändern.

=== Konsequenzen ===
Wenn es eine hinreichend starke Wechselwirkung zwischen den Atomen gibt, erlaubt die Bandstruktur die Bildung von dunklen (lochartigen) und hellen (teilchenartigen) [[Solitonen]], da die Wechselwirkung unter Umständen genau die Dispersion kompensieren kann.
Auf eine externe Kraft, z.&nbsp;B. die Gravitation, reagieren die Atome im optischen Gitter mit [[Bloch-Oszillationen]], die sich in diesen Systemen extrem genau vermessen lassen.

== Beobachtung ==
Meistens werden die Atome nicht im optischen Gitter beobachtet, sondern nach Abschalten des Lichtpotentials und einer gewissen Flugzeit. Dabei wird die [[Absorption (Physik)|Absorption]] eines Laserstrahls, der die Atome beleuchtet, auf einer [[CCD-Kamera]] registriert. Die Methodik ist vergleichbar mit der Detektion von [[Bose-Einstein-Kondensat]]en. Auf diese Weise kann man im Allgemeinen die [[Quasiimpuls]]-Verteilung messen, nicht jedoch direkt die räumliche Verteilung der Atome.

Insbesondere ist es schwierig, individuelle Gitterplätze zu beobachten, da diese im Extremfall nur eine halbe Licht[[wellenlänge]] voneinander entfernt sind. Man hat daher bei optischer Beobachtung einzelner Gitterplätze mit der [[Beugungsbegrenzung|Beugungsbegrenzung der optischen Auflösung]] zu kämpfen. 2008 ist es jedoch mehreren Forschergruppen gelungen, einzelne Gitterplätze in einem optischen Gitter abzubilden, und – teilweise in [[Echtzeit]] und mit einer Detektionsempfindlichkeit, die dazu ausreicht, einzelne Atome nachzuweisen – deren Bewegung zu verfolgen. Darüber hinaus ist auch eine Methode entwickelt worden, die mit der [[Rasterelektronenmikroskopie]] verwandt ist und einzelne Atome durch [[Ionisation]] mit einem [[Elektronenstrahl]] nachweist, welcher sich wesentlich schärfer [[Brillanz (Strahlung)|fokussieren]] lässt.<ref>{{Literatur |Autor=T. Gericke et al. |Titel=High-resolution scanning electron microscopy of an ultracold quantum gas |Sammelwerk=Nature physics |Datum=2008 |Online=[http://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.220/lehre/QIV_SS2008/ott_nphys1102.pdf Uni Ulm] |Format=PDF |KBytes=669 |DOI=10.1038/nphys1102}}</ref>

== Anwendung ==
[[Datei:Lattice mott.JPG|mini|Ein zweidimensionales optisches Gitter mit jeweils einem Atom in jeder Senke]]
Werden die [[Quelle und Senke|Senken]] eines dreidimensionalen optischen Gitters mit jeweils einem Atom gefüllt, so hat es viele Eigenschaften von [[Kristall]]en. Solche optischen Gitter haben gegenüber den aus der [[Festkörperphysik]] bekannten Systemen den Vorteil, dass sich ihre Parameter durch das verwendete Laserlicht leicht verändern lassen. Sie können daher als Modellsysteme für Probleme aus der Festkörperphysik verwendet werden und gelten als aussichtsreiche Kandidaten für die Realisierung eines [[Quantencomputer]]s.

Atome in optischen Gittern gelten darüber hinaus neben [[Ionenfalle|gefangenen Ionen]] als aussichtsreiche Kandidaten für die Realisierung noch präziserer [[Atomuhr]]en, so genannter Gitteruhren.

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* {{Literatur |Autor=Oliver Morsch, Markus Oberthaler |Titel=Dynamics of Bose-Einstein condensates in optical lattices |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=78 |Nummer=1 |Datum=2006-02-27 |Seiten=179–215 |Sprache=en |DOI=10.1103/RevModPhys.78.179}}
* {{Literatur |Autor=Immanuel Bloch |Titel=Ultracold quantum gases in optical lattices |Sammelwerk=[[Nature Physics]] |Band=1 |Nummer=1 |Datum=2005 |Seiten=23–30 |Sprache=en |DOI=10.1038/nphys138}}
* {{Literatur |Autor=H.-J. Briegel, T. Calarco, D. Jaksch, J. I. Cirac, P. Zoller |Titel=Quantum computing with neutral atoms |Sammelwerk=Journal of Modern Optics |Band=47 |Nummer=2–3 |Datum=2000 |Seiten=415–451 |Sprache=en |arXiv=quant-ph/9904010 |DOI=10.1080/09500340008244052}}

== Weblinks ==
* [http://cold-atoms.physics.lsa.umich.edu/projects/lattice/index.html Einführung in optische Gitter]
* [http://www.quantiki.org/wiki/index.php/Optical_Lattices Optische Gitter in der Quanteninformation]
* [http://www.ptb.de/de/org/4/nachrichten4/2006/grund_11.htm Gitteruhr-Projekt der PTB]
* [http://agmeschede.iap.uni-bonn.de/index.php?site=quantentransport Optische Detektion und Manipulation einzelner Atome]
* {{Internetquelle |url=http://greiner.physics.harvard.edu/QGM.html |titel=A Quantum gas microscope for detecting individual atoms in a Bose-Hubbard optical lattice |hrsg=Greiner Lab, Harvard |archiv-url=http://web.archive.org/web/20150303061746/http://greiner.physics.harvard.edu/QGM.html |archiv-datum=2015-03-03 |abruf=1970-01-01 |kommentar=Beobachtung von ultrakalten Atomen in einem optischen Gitter in Echtzeit |offline=1 |abruf-verborgen=1}}

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