Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schaukeln eines Atoms

17.12.2009
Optoelektronische Rückkopplung stabilisiert die Bahn eines einzelnen Atoms in Echtzeit.

Wenn ein Vater sein Kind auf einer Schaukel zum Schwingen bringt, werden komplexe Rückkopplungsmechanismen wirksam: sobald sich die Schaukel ihm nähert, stößt der Vater sie genau zum richtigen Zeitpunkt mit der richtigen Kraft an. Ganz ähnlich funktioniert die schnelle Rückkopplungslogik, die ein Team um Prof. Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München entwickelt hat (Nature, N° 2009-08-10110A, DOI: 10.1038/nature08563).


Visualisierung des Regelkreises: Ein einzelnes, zwischen zwei hoch reflektierenden Spiegeln gefangenes Atom verrät seine Position über die Aussendung einzelner Photonen (gelbe Wellenpakete). Diese Photonen werden in elektrische Pulse umgewandelt (gelbe Kügelchen), die von einer Regelungselektronik in Echtzeit ausgewertet werden. Der resultierende elektrische Strom (blaue Kügelchen) wiederum reguliert die Intensität eines blauen Lasers (blaue \"Mulde\"). Dieser Regelkreis \"schaukelt\" das Atom in Abhängigkeit von seiner jeweils gemessenen Position. MPQ-Abteilung Quantendynamik

Das System reagiert in Echtzeit auf die Bewegung eines Atoms in einem optischen Resonator. Einzelne von dem Atom ausgesandte Photonen, die Information über seinen Ort tragen, setzen einen Rückkopplungsmechanismus in Gang, der das Atom in eine vom Experimentator gewünschte Richtung stößt. Durch diese gezielte Steuerung des Atoms kann seine Verweildauer in dem Resonator auf das Vierfache gesteigert werden. Fast noch wichtiger aber ist der Umstand, dass die Methode ein Schritt in die Richtung ist, die Bewegung eines Atoms bis an die durch die Heisenbergsche Orts-Impuls-Unschärferelation gesetzte Grenze zu kontrollieren.

Das Experiment beginnt mit der Laserkühlung einer Wolke von neutralen Rubidiumatomen auf Temperaturen von einigen Mikrokelvin. Die kalte Wolke wird - wie ein Springbrunnen - in einen Resonator geschossen, der aus zwei Spiegeln höchster Güte im Abstand von ungefähr einem Zehntel Millimeter gebildet wird. Bei der Ankunft im Resonator wird ein einzelnes Atom durch das Einschalten einer "optischen Pinzette" eingefangen. So bezeichnen die Physiker die stehenden Lichtwellen, die von zwischen den Spiegeln reflektierten Laserstrahlen gebildet werden. Da das Atom extrem empfindlich auf kleinste Kräfte reagiert, wird seine regelmäßige Schwingung um die Resonatorachse von einer willkürlichen, in beliebige Richtungen weisenden Bewegung überlagert. Das verhindert es, seine Bahn auf Zeitskalen, die länger als die Schwingungsperiode (typischerweise weniger als eine tausendstel Sekunde) sind, vorherzusagen.

Nun kommt ein zweiter Laser ins Spiel, dessen Licht als Eingangssignal für die Rückkopplungsschleife dient. Mit diesem Laser ist es möglich, die Bewegung des Atoms zu verfolgen. Befindet sich kein Atom im Resonator, dann wird dieses Laserlicht durch beide Spiegel voll durchgelassen. Falls sich das Atom genau in der Mitte des Resonators aufhält, wird das Licht abgeblockt, und die Photonenrate sinkt auf 0,03 Photonen in einer Millionstel Sekunde. Entfernt sich das Atom vom Zentrum in dem Versuch, den Resonator zu verlassen, dann wird mehr Licht durchgelassen. D.h. die jeweilige Änderung der Position des Atoms ist an der Intensität des durchgelassenen Lichtes abzulesen. Um diese Information zu erhalten, wird die Zahl der aus dem Resonator kommenden Photonen in zwei aufeinander folgenden, gleich lange Zeitintervallen, der sogenannten Belichtungszeit, mit empfindlichen Nachweisgeräten registriert.

Wenn im zweiten Zeitabschnitt mehr Photonen registriert werden als im ersten, folgt daraus, dass das Atom im Begriff ist, den Resonator zu verlassen. Um dies zu verhindern, wird die Lichtintensität der optischen Pinzette hochgefahren, was das Atom zurück zur Resonatorachse treibt. Sinkt dagegen die Photonenzahl im zweiten Zeitabschnitt, dann wird angenommen, dass sich das Atom der Achse nähert, und die Intensität der Pinzetten wird heruntergefahren. Dieses Vorgehen verringert die Bewegungsenergie des Atoms und führt zu seiner effizienten Kühlung. Durch Umkehrung der Rückkopplungslogik kann das Atom auch aus dem Resonator heraus getrieben werden. "Es muss betont werden, dass der Rückkopplungsmechanismus von jedem einzelnen registrierten Photon ausgelöst wird", erklärt Alexander Kubanek, Doktorand in der Abteilung Quantendynamik. "Sobald die Zahl von 0 auf 1 steigt, wird die Intensität der optischen Pinzette sofort hochgefahren, und zwar in einer Zeitspanne, die etwa 70 mal kürzer ist als die Schwingungsperiode des Atoms. Aber wir müssen aufpassen, dass die Belichtungszeiten weder zu kurz noch zu lang sind. Sie müssen lang genug sein, um Informationen über die Position des Atoms zu liefern, aber dennoch viel kürzer als die Schwingungsperiode des Atoms in der optischen Pinzette."

Der Rückkopplungsmechanismus steigert die Speicherzeit für ein einzelnes Atom von etwa sechs Millisekunden (ohne Feedback) auf etwa 24 Millisekunden. Mit einer etwas verfeinerten Technik wurden sogar Speicherzeiten von bis zu 250 Millisekunden erreicht. Aber noch wichtiger als die Verlängerung der Speicherzeit sind die quantenmechanischen Implikationen des Experimentes. "Es beweist, dass sich durch quasi-kontinuierliche Messungen verlässliche Aussagen über den Ort des Atoms machen lassen", betont Prof. Gerhard Rempe. "Das könnte es in Zukunft ermöglichen, individuelle Quantenbahnen mit einer Genauigkeit zu steuern, die nur noch durch Heisenbergs Unschärfe-Relation begrenzt ist, oder den Quantenzustand eines gefangenen Atoms gegen den verhängnisvollen Einfluss von Fluktuationen aus der unmittelbaren Umgebung zu schützen." [Olivia Meyer-Streng]

Originalveröffentlichung:
A. Kubanek, M. Koch, C. Sames, A. Ourjoumtsev, P.W.H. Pinkse, K. Murr, G. Rempe
Photon-by-photon feedback control of a single-atom trajectory
Nature, N° 2009-08-10110A, DOI 10.1038/nature08563, 17.12.2009
Kontakt:
Prof. Dr. Gerhard Rempe
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 (0)89 / 32905 - 701
Fax: +49 (0)89 / 32905 - 311
E-Mail: gerhard.rempe@mpq.mpg.de
Alexander Kubanek
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 (0)89 / 32905 - 296
Fax: +49 (0)89 / 32905 - 395
E-Mail: alexander.kubanek@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 (0)89 / 32905 - 213
Fax: +49 (0)89 / 32905 - 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Belle II misst die ersten Teilchenkollisionen
26.04.2018 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Geheimnisse des Urknalls und der Dunklen Materie
26.04.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

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: Why we need erasable MRI scans

New technology could allow an MRI contrast agent to 'blink off,' helping doctors diagnose disease

Magnetic resonance imaging, or MRI, is a widely used medical tool for taking pictures of the insides of our body. One way to make MRI scans easier to read is...

Im Focus: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz zur Marktentwicklung von Gigabitnetzen in Deutschland

26.04.2018 | Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

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

Der lange Irrweg der ADP Ribosylierung

26.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Belle II misst die ersten Teilchenkollisionen

26.04.2018 | Physik Astronomie

Anzeichen einer Psychose zeigen sich in den Hirnwindungen

26.04.2018 | Medizin Gesundheit

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