Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Atome unter Kontrolle

10.10.2005


Kühlung von Atomen im Resonator: Mit Hilfe mehrerer Laserstrahlen (rot und grün) werden einzelne Atome (gelb) im Lichtfeld eines optischen Resonators (blau) eingefangen und dort so weit zur Ruhe gebracht, dass ihre Bewegung nur noch durch die quantenmechanische Unschärfe bestimmt wird. Bild: Max-Planck-Institut für Quantenoptik


Max-Planck-Forscher schaffen mit der „quasipermanenten“ Speicherung eines Atoms zwischen zwei Spiegeln die Voraussetzung für verteilte Quantencomputer

... mehr zu:
»Frequenz »Photon »Resonator

Komplexe Rechenoperationen ließen sich durch massive Parallelverarbeitung auf einem Quantencomputer erheblich beschleunigen. Die kleinsten Informationseinheiten sind dabei so genannte Quantenbits, die durch Atome oder Moleküle realisiert werden könnten, vorausgesetzt, man kann deren Position, Quantenzustände sowie Wechselwirkung mit anderen Teilchen nach Belieben manipulieren.

Einzelne Atome in einem optischen Resonator so zu kontrollieren, ist nun ein Forscherteam um Professor Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ (Nature Physics, 9. Oktober 2005) berichten, gelang es ihnen, einzelne Rubidiumatome mit einer ausgeklügelten Anordnung von Lasern in einem optischen Resonator in allen Bewegungsrichtungen zu kühlen und dort im Durchschnitt 17 Sekunden lang zu halten. Das ist die bei weitem längste Speicherzeit, die bisher in stark gekoppelten Atom-Resonator-Systemen erreicht wurde.


Neutrale Atome einzufangen, abzukühlen und zu speichern, erfordert eine ausgeklügelte Vorgehensweise. Am Beginn steht die nun schon fast klassische Laserkühlung in einer "magnetooptischen Falle". Hier werden die Atome aus sechs Richtungen mit Laserstrahlen beschossen, deren Frequenz etwas unterhalb der Anregungsenergie liegt. Auf diese Weise absorbieren die Teilchen immer dann Licht, wenn sie sich auf den Strahl zu bewegen - dann sind sie aufgrund des Dopplereffekts in Resonanz - und werden dabei in dieser Richtung abgebremst. Auf ein einzelnes Atom oder Molekül angewandt bedeutet der Begriff Abkühlung, dass dem Teilchen immer mehr Bewegungsenergie entzogen wird.

In dem Experiment am Max-Planck-Institut für Quantenoptik werden Rubidiumatome auf diese Weise präpariert und anschließend im elektromagnetischen Feld eines Laserstrahls (einer so genannten "Lichtfalle") über eine Strecke von 14 Millimetern in einen optischen Resonator geleitet, der aus zwei sich gegenüber stehenden Hohlspiegeln höchster Qualität gebildet wird.

Sobald sich die Atome zwischen den Spiegeln befinden, ändern die Wissenschaftler die Geometrie der Lichtfalle, indem sie den Laserstrahl in sich zurückspiegeln. Dadurch bildet sich eine stehende Lichtwelle, in deren Bäuchen die Atome festgehalten werden. Zusätzlich werden die Atome von zwei gegeneinander laufenden Lasern, die unter einem Winkel von 45 Grad zur stehenden Welle und senkrecht zur Resonatorachse verlaufen.

In dieser speziellen Anordnung wirken mehrere Kühlmechanismen: Atom, Resonator und Lichtfalle bilden ein hochgradig gekoppeltes System, in dem ein angeregtes Atom Photonen bevorzugt in Richtung der Resonatorachse emittiert. Dadurch baut sich zwischen den Spiegeln ein Lichtfeld auf, das extrem stark von der Position des Atoms abhängt. Denn die Lage des Atoms bestimmt sowohl die Stärke seiner Kopplung an den Resonator als auch (weil sich die Energieniveaus des Atoms in der Lichtfalle verschieben) die exakte Frequenz des atomaren Übergangs. Bewegt sich das Atom, so erfolgt die Anpassung des Lichtfeldes an die neue Situation stets mit einer Verzögerung, die durch die mittlere Verweildauer der Photonen im Resonator bedingt ist. Aufgrund dieser Verzögerung hängen alle Lichtkräfte, die auf das Atom wirken und es abbremsen, von dessen Geschwindigkeit ab. Deshalb werden diese Kräfte auch in Anlehnung an die Mechanik als Reibungskräfte bezeichnet.

Kühleffekte treten insbesondere dann auf, wenn die Frequenz des Resonators etwas größer ist als die Frequenz des anregenden Lasers. In diesem Fall sendet das Atom Photonen höherer Energie aus, und zwar bevorzugt in Bewegungsrichtung. Es erhält dabei einen Rückstoß und wird entlang der Resonatorachse langsamer. Die Absorption von Photonen erfolgt dagegen vor allem dann, wenn das Atom den Laserstrahlen entgegenläuft. Dies führt zu einer Abbremsung in Laserrichtung. Beide Effekte gehen auf den oben erwähnten Doppler-Effekt zurück.

Weitere Bremskräfte wirken entlang der Lichtfalle. Sie werden zum einen dadurch hervorgerufen, dass das Lichtfeld - wie oben erwähnt - im Resonator verzögert auf die Bewegung des Atoms reagiert. Zum anderen ergeben sie sich daraus, dass die Verschiebung der Energieniveaus in den Bäuchen der stehenden Welle stärker ist als in den Knoten. Die Frequenz des atomaren Übergangs stimmt daher nur in den Knoten mit der des anregenden Lasers überein. Ein warmes Atom hält sich häufiger in der Nähe eines Knoten auf und wird dort bevorzugt angeregt. Bewegt es sich vom Knoten weg, gewinnt es Lageenergie, die es beim Übergang in den Grundzustand wieder abgibt. Dieser Prozess wiederholt sich periodisch und heißt in Analogie zur antiken Sage auch "Sisyphus-Kühlung".

Zum Nachweis eines Atoms und der Bestimmung seiner Verweildauer werden die von ihm in den Resonator gestreuten Photonen gezählt. Wenige Millisekunden nach Einschalten der "Lichtfalle" schnellt die Zählrate hoch, denn ein Atom, das gerade in den Raum zwischen den Spiegeln gelangt, ist anfangs relativ "heiß". Innerhalb von etwa 100 Mikrosekunden stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein und das Atom erreicht seine endgültige Temperatur, etwa sechs Millionstel Kelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Es streut nur noch wenig Licht, aber mit einer konstanten Rate.

Systematisch untersuchten die Wissenschaftler, wie sich die unterschiedlichen Kühlkräfte auf die Speicherzeiten der Atome auswirken. Atome ohne Kühlung werden im Mittel nur 2,7 Sekunden lang gehalten, während ein Sisyphus-gekühltes Atom 17 Sekunden lang im Resonator bleibt. Wählt man geeignete Frequenzen von Resonator und anregendem Laser, verlängert sich die Lebensdauer der gespeicherten Atome auf das Vierfache. Damit sollte es sogar möglich sein, ein einzelnes Atom länger als eine Minute an einen optischen Resonator zu koppeln.

Durch den Trick, verschiedene in unterschiedlichen Richtungen wirkende Kühlverfahren zu kombinieren, waren die Forscher in der Lage, im Zentrum eines optischen Resonators eine genau bekannte Zahl von Atomen zu präparieren. Die im Durchschnitt erzielten Speicherzeiten von mehr als 15 Sekunden erlauben Experimente, in denen die Wechselwirkung einzelner Atome mit einzelnen Photonen kontrolliert werden kann. Dies ist zum Beispiel die Voraussetzung für die Verschränkung, Kopplung und Übertragung (Teleportation) von Quantenzuständen zwischen weit entfernten Atomen mit Hilfe von Photonen. Somit ist die Verwirklichung eines verteilten Quantencomputers in greifbare Nähe gerückt, der aus mehreren stark gekoppelten Atom-Resonator-Systemen besteht. Die eingefangenen Atome speichern die Quantenbits, während die von ihnen ausgesandten Photonen der Durchführung von Rechenoperationen dienen.

Originalveröffentlichung:

Stefan Nußmann, Karim Murr, Markus Hijkema, Bernhard Weber, Axel Kuhn, and Gerhard Rempe
Vacuum-stimulated cooling of single atoms in three dimensions

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Frequenz Photon Resonator

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie