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 Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

nachricht Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

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: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Ansatz im Kampf gegen Prostatakrebs entdeckt

24.05.2018 | Medizin Gesundheit

Konventionelle Antibiotika-Therapie ergänzen

24.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Vom Stroh zum Energieträger: Eintopf-Rezept für Wasserstoffgewinnung

24.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics