Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuer Rekord in der Optik - ein einzelnes Ion als Quantensonde

01.11.2001


Präzise Kontrolle der Wechselwirkung zwischen gespeichertem Ion und optischem Feld als Grundlage für Einphotonenpulse und Quantencomputer


Einer Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching ist es mit Hilfe einer Ionenfalle gelungen, ein einzelnes Calcium-Ion präzise und dauerhaft in einem optischen Feld zu positionieren (nature, 1. November 2001). Mit bisher nicht erreichter Genauigkeit und störungsfrei bestimmten die Wissenschaftler um Prof. Herbert Walther so die räumliche Verteilung des Felds im Nanometerbereich. Mit der exakten Kontrolle der Wechselwirkung zwischen Atom und Strahlungsfeld wurde ein wichtiger wissenschaftlicher Durchbruch erzielt - nicht nur für die Präzisionsmessung optischer Felder, sondern auch für zukünftige Anwendungen. Diese reichen von der Erzeugung von Licht mit exotischen Quanteneigenschaften bis zum Bau effizienter Schaltelemente für einen Quantencomputer.

Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis von Vorgängen im atomaren Bereich. In der makroskopischen Welt tritt nur die über eine große Anzahl von Atomen gemittelte Wirkung des Lichtfelds in Erscheinung. Die räumliche Verteilung des Lichts im atomaren Bereich spielt dabei keine Rolle. In den vergangenen Jahren wurden jedoch die experimentellen Methoden so weit verbessert, dass man auch einzelne Atome untersuchen kann. Auf welche Weise ein einzelnes Atom mit Licht in Wechselwirkung tritt, hängt von den Eigenschaften des Lichtfelds in seiner unmittelbaren Umgebung ab. Deshalb kann ein einzelnes Atom dazu benutzt werden, Informationen über die mikroskopische Struktur von Lichtfeldern mit bisher unerreichbarer Auflösung zu erhalten. Voraussetzung ist allerdings, dass man die Position des einzelnen Atoms genauestens kontrollieren kann. Schon eine Distanz von 100 Nanometern kann zwischen maximaler Lichtintensität und völliger Dunkelheit entscheiden. Doch wie kann man ein einzelnes Atom so genau festhalten, ohne dabei das Lichtfeld selbst zu stören?


Abb. 1: Die im Experiment verwendete Ionenfalle: Das Ion wird entlang der Fallenachse zwischen die Spiegel geschoben. Ein Laser erzeugt das Feld zwischen den Spiegeln, das Fluoreszenzlicht wird von der Seite beobachtet


Gerhard R. Guthöhrlein, Matthias Keller, Kazuhiro Hayasaka, Wolfgang Lange und Herbert Walther vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik ist es gelungen, dieses Problem zu lösen. Sie verwendeten für ihr Experiment ein einzelnes ionisiertes Calcium-Atom, das im Radiofrequenzfeld einer Ionenfalle festgehalten wurde (Abb.1). Mit einem Laser kühlten sie das Ion auf eine Temperatur von weniger als ein Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab; seine Bewegung in der Falle ist dann auf einen Bereich von nur noch 60 Nanometer beschränkt. Dies ist ein Bruchteil der Wellenlänge der vom Calcium-Ion absorbierten ultravioletten Strahlung von 397 Nanometer, so dass sich auch Strukturen weit unterhalb dieser Skala optimal auflösen lassen.

Eine Radiofrequenzfalle hat den entscheidenden Vorteil, dass sie die Wechselwirkung zwischen Ion und Lichtfeld in keiner Weise stört. Das gefangene Ion wird darin zu einer perfekten Nanosonde, die nach dem Prinzip der Nahfeldmikroskopie arbeitet: Durch Absorption von Strahlung aus seiner unmittelbaren Umgebung nimmt das Ion Informationen über die lokale Lichtintensität auf. Über das anschließend vom Ion abgestrahlte Fluoreszenzlicht kann man diese Größe messen - mehr Fluoreszenzlicht bedeutet eine höhere Intensität des Strahlungsfelds. Die Max-Planck-Wissenschaftler haben die Messung an verschiedenen Stellen im Lichtfeld wiederholt, die so gewonnenen Intensitätswerte zu einem Bild zusammengesetzt und damit die Umgebung des Ions mit atomarer Auflösung sichtbar gemacht.

Im Experiment wurde ein Lichtfeld untersucht, das sich zwischen zwei hochreflektierenden, nur 6 Millimeter voneinander entfernten Miniaturspiegeln bei Einstrahlung von Laserlicht ausbildet (vgl. Abb. 1). Mit dem Calcium-Ion konnten die Forscher - wie mit einer Nanokamera - erstmals die charakteristische Intensitätsverteilung dieses stark lokalisierten Lichtfelds in allen drei Raumrichtungen direkt abbilden (Abb. 2). So gelang ihnen die bislang genaueste Messung eines Strahlungsfelds.


Abb. 2: Transversale Feldverteilung zwischen den Spiegeln, aufgenommen mit einem einzelnen Calcium-Ion. Je nach Spiegelabstand werden verschiedene Zustände (a, b) angeregt, die sich in der Zahl der Intensitätsmaxima unterscheiden. Die schwarzen Höhenlinien zeigen die theoretisch berechneten Werte


Das in einer Ionenfalle festgehaltene atomare Teilchen lässt sich jedoch nicht nur dazu einsetzen, die mikroskopische Struktur eines Lichtfelds aufzulösen. Vielmehr hat man umgekehrt auch die Möglichkeit, ein derart "fixiertes" Ion für praktisch unbegrenzte Zeit einem genau festgelegten Lichtfeld auszusetzen, was bei freien Atomen durch deren zufällige Bewegung verhindert würde. Damit lässt sich Licht mit Eigenschaften erzeugen, die über den Rahmen der klassischen Physik hinausgehen und mit den Begriffen der Quantenmechanik beschrieben werden müssen. "Wir könnten beispielsweise mit der im MPQ verwendeten Apparatur Pulse produzieren, die aus exakt einem Lichtquant bestehen. Das wäre eine hervorragende Grundlage für das abhörsichere Übertragen von Informationen," sagt Prof. Herbert Walther, der Leiter des Forscherteams und Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Und:."Der größte Nutzen könnte sich für die Entwicklung eines Quantencomputers auf atomarer Basis ergeben. Die präzise Steuerung der Wechselwirkung mit Licht ermöglicht einen einfachen Austausch von Quanteninformation zwischen den Ionen und ist den bisher vorgeschlagenen Methoden bei weitem überlegen."


Mit ihrer Ein-Ion-Nanosonde sind die Quantenphysiker in Garching einem universellen Schalter für die Quantenzustände von Atomen einen großen Schritt näher gekommen.


PDF-Version...


Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Dr. Herbert Walther
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
85748 Garching
Tel.: 0 89 / 3 29 05 - 7 04
Fax: 0 89 / 3 29 05 - 3 14
E-Mail: herbert.walther@mpq.mpg.de

Dr. Wolfgang Lange
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
85748 Garching
Tel.: 0 89 / 3 29 05 - 2 98
Fax: 0 89 / 3 29 05 - 2 00
E-Mail: wolfgang.lange@mpq.mpg.de

| Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/mpq_d.html

Weitere Berichte zu: Atom Calcium-Ion Ionenfalle Lichtfeld Wechselwirkung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Die Sonne: Motor des Erdklimas
23.08.2017 | Generalverwaltung der Max-Planck-Gesellschaft, München

nachricht Entfesselte Magnetkraft
23.08.2017 | Generalverwaltung der Max-Planck-Gesellschaft, München

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: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie