Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schwingende Ionen imitieren optischen Laser

24.08.2009
MPQ/Caltech Wissenschaftler demonstrieren an einzelnen Ionen mechanisches Analogon zu einem optischen Laser.

Seit Jahrzehnten herrscht Interesse an der Realisierung eines Lasers, der statt Licht mechanische Schwingungsquanten, sogenannte Phononen, aussendet.

Gelänge es, so ein Gerät in einem Festkörper zu implementieren, könnte man wegen sehr kleinen Wellenlänge beispielsweise Tomographie mit ungeahnt hoher Auflösung erzielen. Von dieser Anwendung ist ein jetzt am MPQ durchgeführtes Experiment zwar noch ein Stück weit entfernt.

Aber an einem einzelnen, auf etwa 1 Millikelvin gekühlten Magnesiumion konnten die Wissenschaftler aus der Abteilung Laserspektroskopie von Prof. Theodor W. Hänsch in Zusammenarbeit mit Prof. Kerry Vahala vom California Institute of Technology (Pasadena, USA), z.Z. Gast am MPQ, erstmals demonstrieren, dass blau-verstimmte Laserstrahlung die Erzeugung kohärenter Phononen stimulieren kann.

Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Nature Physics berichten (Advance Online Publication 16. August 09, DOI: 10.1038/ NPHYS1367), stellt dieser Aufbau ein mechanisches Analogon zu einem optischen Laser dar, an dem sich die Dynamik eines Phononenlasers grundlegend untersuchen lässt. In seiner jetzigen Form ließe er sich unter Umständen für die Messung extrem schwacher Kräfte nutzen. Insbesondere der geplante Übergang von einem einzelnen Ion zu ein- oder mehrdimensionalen Systemen könnte aber den Durchbruch für mögliche Anwendungen bringen.

In ihrem Experiment speichern die Wissenschaftler zunächst ein einzelnes positiv geladenes Magnesiumion in einer elektromagnetischen sogenannten "Paulfalle" und erniedrigen seine Temperatur durch Laserkühlung auf etwa ein Millikelvin. Bei diesem Verfahren wird das Ion mit Laserlicht bestrahlt, dessen Frequenz etwas unterhalb der Resonanzfrequenz für einen geeigneten Übergang liegt. Nur wenn das Ion dem "rot-verstimmten" Laserstrahl entgegen läuft, kann es angeregt werden und verliert dabei Bewegungsenergie. Dieser Aufbau stellt einen mechanischen Oszillator einstellbarer Güte dar, analog zu einem optischen Laser-Resonator, dessen Güte durch die Reflektivität der Spiegel gegeben ist.

Nun kommt ein weiterer, "blau-verstimmter" Laser ins Spiel, dessen Intensität in einer Serie von Messungen langsam hochgefahren wird. Analog zur Anregung eines optischen Lasers führt dieser Laserstrahl dem Ion Energie zu, wodurch sich dessen Bewegung um den Masseschwerpunkt verstärkt. Ab einer gewissen Strahlintensität wird ein Übergang von thermischer, d.h. ungeordneter Bewegung des Ions zu einer geordneten harmonischen Schwingung beobachtet. Dieses Schwellwertverhalten ist vollkommen analog zu einem optischen Laser. Die harmonische Oszillation startet dabei von selbst durch ein spontan erzeugtes Phonon, genau wie beim optischen Pendant. Die Oszillation ist dank Verstärkungssättigung stabil und wird, wie beim Laser, durch die kontinuierliche stimulierte Erzeugung weiterer Phononen aufrechterhalten. Dieses Verhalten wurde beobachtet und auch quantitativ mit der Theorie verglichen, indem hochauflösende aber zeitgemittelte Bilder eines einzelnen Ions gemacht wurden (siehe Abbildung). "Entscheidend bei der Verwirklichung dieser Art von Phononenlaser war die Erkenntnis, dass sich blau-verstimmtes Licht nicht nur zum Aufheizen des Ions nutzen lässt, sondern bei geeigneter Wahl der Frequenz und Intensität zu einer kohärenten Verstärkung seiner Bewegung führt," erklärt Dr. Maximilian Herrmann aus der Abteilung Laserspektroskopie.

Derzeit wird untersucht, inwieweit Werkzeuge und Techniken aus der Laserphysik auf den Phononenlaser angewendet werden können. Ein Beispiel dafür ist das "Injection Locking", bei dem ein schwaches äußeres Radiofrequenz-Signal die Phase des Lasers mit einer externen Referenzquelle synchronisiert. Mit diesem Verfahren hat das Team auch die harmonische Schwingung des Magnesiumions sichtbar gemacht.

Erst die Implementierung von Phononenlasern in Festkörpern würde die oben erwähnten Anwendungen wie hoch aufgelöste Tomographie ermöglichen. Diesbezügliche Versuche sind aber bisher an der großen Zahl der beteiligten Atome in Festkörpern gescheitert. Der Trend geht daher zu ein- oder zweidimensionalen Strukturen. "Unser einzelnes Ion nimmt - als nulldimensionale Struktur - sozusagen den Endpunkt dieses Trends vorweg. Dieses System ist ideal, um die grundlegende Dynamik eines Phononenlasers zu untersuchen", erläutert Herrmann. "Beispielsweise kann man den Übergang zu einem eindimensionalen System untersuchen, indem man kontrolliert einzelne Ionen in Form einer Kette hinzufügt." Neben diesem grundlegenden Aspekt gibt es auch Überlegungen, das schwingende Ion als Detektor für äußerst schwache Kräfte einzusetzen, aber das ist, wie Herrmann konzediert, noch "reine Zukunftsmusik". [Maximilian Herrmann/Olivia Meyer-Streng]

Originalveröffentlichung:
K. Vahala, M. Herrmann, S. Knünz, V. Batteiger, G. Saathoff, T.W. Hänsch & Th. Udem
"A phonon laser"
Nature Physics, Advance Online Publication 16. August 09, DOI: 10.1038/ NPHYS1367
Kontakt:
Prof. Dr. Theodor W. Hänsch
Lehrstuhl für Experimentalphysik,
Ludwig-Maximilians-Universität, München
Direktor am Max-Planck-Institut
für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 - 89 / 32905 702/712
Fax: +49 - 89 / 32905 312
E-Mail: t.w.haensch@mpq.mpg.de
Dr. Thomas Udem
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 - 89 / 32905 - 282
Fax: +49 - 89 / 32905 - 312
E-Mail: thomas.udem@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse & Kommunikation
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Telefon: +49 - 89 / 32905 - 213
Fax: +49 - 89 / 32905 - 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Der überraschend schnelle Fall des Felix Baumgartner
14.12.2017 | Technische Universität München

nachricht Eine blühende Sternentstehungsregion
14.12.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Im Focus: First-of-its-kind chemical oscillator offers new level of molecular control

DNA molecules that follow specific instructions could offer more precise molecular control of synthetic chemical systems, a discovery that opens the door for engineers to create molecular machines with new and complex behaviors.

Researchers have created chemical amplifiers and a chemical oscillator using a systematic method that has the potential to embed sophisticated circuit...

Im Focus: Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung

Der Forschergruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, die von der Temperatur abhängige Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe von polymeren Materialien präzise zu steuern. In der Zeitschrift Science Advances werden diese fortschrittlichen, zunächst für Laboruntersuchungen hergestellten Funktionsmaterialien beschrieben. Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Relevanz für die Entwicklung neuer Konzepte zur Wärmedämmung.

Von Schmetterlingsflügeln zu neuen Funktionsmaterialien

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltrekord: Jülicher Forscher simulieren Quantencomputer mit 46 Qubits

15.12.2017 | Informationstechnologie

Wackelpudding mit Gedächtnis – Verlaufsvorhersage für handelsübliche Lacke

15.12.2017 | Verfahrenstechnologie

Forscher vereinfachen Installation und Programmierung von Robotersystemen

15.12.2017 | Energie und Elektrotechnik