Um Quantensysteme steuern und kontrollieren zu können, sperren Wissenschaftler die betreffenden Teilchen seit mehreren Jahrzehnten in Fallen: Ionen fangen sie mittels starker Radiofrequenzfelder ein, und neutrale Atome hielten sie bisher mit Lichtfeldern fest. Tobias Schätz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik und sein Team haben nun gezeigt, dass sich beide Speichermethoden und beide Teilchensorten kombinieren lassen.
In ihrem Experiment kühlten die Wissenschaftler zunächst ein positiv geladenes Magnesiumion in einer Radiofrequenzfalle auf rund ein tausendstel Grad oberhalb des absoluten Temperaturnullpunkts ab. Dann kompensierten sie externe Störfelder durch geeignete Gegenfelder und überlagerten das Ion mit einem stark fokussierten Laserstrahl. Als sie daraufhin das Radiofrequenzfeld abschalteten, wurde das Ion für mehrere Millisekunden vom Lichtstrahl festgehalten.
Ion in einer optischen Falle | Aufnahme eines einzelnen Ions, das in einer optischen Falle gefangen wurde. Die Farben kodieren die Intensität des emittierten Fluoreszenzlichts.
Da optische Felder bei Weitem keine so tiefen "Speichertöpfe" wie Radiofrequenzfelder besitzen und Ionen auf Grund ihrer elektrischen Ladung extrem empfindlich auf äußere Störfelder reagieren, hatte man optische Fallen bisher für ungeeignet gehalten, erläutert Schätz. Die Speicherzeit ist derzeit lediglich dadurch begrenzt, dass das Ion vom optischen Feld aufgeheizt wird. Mit gängigen Verfahren könne sie noch erheblich gesteigert werden. Mit Wechselfeldern im Radiofrequenzbereich erreichen Forscher mittlerweile Speicherzeiten von bis zu mehreren Monaten.
Das Experiment zeigt neue Perspektiven auf, bisher unverstandene oder unzugängliche Festkörpereigenschaften mit Hilfe von kontrollierbaren Quantensystemen experimentell zu simulieren, so die Autoren. In einer Radiofrequenzfalle lassen sich derartige Quantensimulationen mit einigen Ionen nämlich nur schwer zu großen Systemen ausbauen.
Zudem wären auch hybride Systeme denkbar, in denen Ionen und Atome in einem gemeinsamen optischen Gitter eingebettet sind. Und auch neuartige chemische Prozesse bei extrem tiefen Temperaturen könnten mit der neuen Methode untersucht werden. Schätz und sein Team denken dabei beispielsweise an ein einzelnes Ion inmitten eines kaltes atomares Quantengases. (mpi)
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