Einzelne Atome auf Bestellung

News: Einzelne Atome auf Bestellung

Atome zu fangen, ist ein wenig, wie eine Kindergruppe im Legoland wieder zusammen zu trommeln: Zuerst muss man sie mit viel Müh' und Not aus allen Ecken heranbringen, doch dann lassen sie sich auch mit weniger Aufwand kontrollieren. Weder Kinder noch Atome dürfen vom Sammelplatz verschwinden, und es muss selbstverständlich genau die richtige Anzahl sein. Wie das mit den lieben Kleinen klappt, demonstrieren gestresste Betreuer in jedem Vergnügungspark. Die exakte Bändigung der Atome gelang Physikern nun zum ersten Mal. Sie schlossen Atome mit einer recht starken Falle ein und hielten sie mit sanfteren Methoden am Fleck - ein wichtiger Schritt zur Manipulation einzelner Teilchen.

In der – fernen – Zukunft berechnen Quantencomputer in Windeseile Aufgaben, indem sie alle Möglichkeiten gleichzeitig prüfen. Doch bis es soweit ist, sind sie erstmal selber die Quelle von Problemen. Die rechnenden Atome eines solchen Wunderwerkes müssten nämlich isoliert und kontrolliert von einem Quantenzustand in einen anderen überführt werden. Kein Mensch weiß so ganz genau, wie das praktisch funktionieren soll. Doch Schritt für Schritt tasten Wissenschaftler sich auf ihrem Weg voran.

So können sie ohne Schwierigkeiten Atome mit einer magneto-optischen Falle in einem kleinen Volumen zusammenpferchen. Mehrere Laser treiben mit ihrem Strahlungsdruck die Teilchen vor sich her. Die Atome absorbieren Photonen und emittieren sie als Fluoreszenzlicht wieder in zufällige Richtungen. Das bremst sie ab, bis die Atome in einem kalten Bereich im Zentrum eines magnetischen Feldes gefangen sind. Daniel Frese und seine Kollegen von der Universität Bonn haben auf diese Weise ein bis zehn Cäsiumatome in einem Bereich mit nur 10 Mikrometern Durchmesser eingeschlossen. Die genaue Anzahl bestimmten sie an Hand des ausgesandten Fluoreszenzlichtes.

Genau auf diese Region hatten sie eine zweite Falle ausgerichtet. Statt mit vielen arbeitete sie nur mit einem einzigen Laser. Diese so genannte optische-Dipol-Falle nutzt die Welleneigenschaften des Lichtes. Das Auf und Ab des oszillierenden elektrischen Feldes bewirkt eine leichte Ladungsverschiebung im neutralen Atom, es induziert einen Dipol mit einem positiveren und einem negativeren Ende. Zwischen dem Feld und dem Atom kommt es zu Anziehungskräften, die im Brennpunkt des Laserstrahls am stärksten sind. Solch eine Falle ist zwar schwächer als die magneto-optische Version, aber sie übt weniger Einfluss auf das Teilchen aus, da keine Photonen absorbiert oder emittiert werden.

Waren die Cäsiumatome an Ort und Stelle versammelt, schalteten die Bonner Forscher ihre optische-Dipol-Falle ein und wenige Millisekunden später die magneto-optische Falle aus. Nur das Licht eines Lasers hielt die Atome bis zu einer Minute an ihrem Platz, ohne dass ein einziges Teilchen Reißaus nahm (Physical Review Letters vom 30. Oktober 2000). Davon überzeugte sich das Team, nachdem es die stärkere Falle wieder eingeschaltet und die Fluoreszenz gemessen hatte.

Schon früher haben Wissenschaftler Atome von einer Falle in eine andere überführt. Die Bonner Gruppe schaffte das Kunststück jedoch als erste mit einer hohen Ausbeute, und vor allem wussten sie genau, wieviele Atome sie eigentlich gefangen hielten.

Als nächstes wollen sie die Atome ein paar Millimeter weit transportieren, vielleicht zu einem anderen Gerät, das ein einzelnes Photon bereit hält. Damit ließen sich Sprünge zwischen Quantenzuständen herbeiführen und beobachten – eine mit magneto-optischen Fallen kaum zu bewältigende Aufgabe.

Der Physiker Arthur Ashkin ist "vollkommen begeistert von diesem Artikel." Mit dieser Technik, sagt er, könnte es möglich sein, Wechselwirkungen zwischen einzelnen Atomen und einzelnen Photonen unter kontrollierten Bedingungen zu studieren. "Das ist Quantenmechanik vom Feinsten. Ich denke, die Wissenschaftsgemeinde wird sich darauf stürzen."

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 6.7.2000
"Erster Quantencomputer aus fünf Qubits"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Ticker vom 18.3.1998
"Eine neue Falle für Atome"

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