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 Ultra-sensitiv dank quantenmechanischer Verschränkung
28.06.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit
26.06.2017 | Universität Bremen

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: Schnelles und umweltschonendes Laserstrukturieren von Werkzeugen zur Folienherstellung

Kosteneffizienz und hohe Produktivität ohne dabei die Umwelt zu belasten: Im EU-Projekt »PoLaRoll« entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit dem Oberhausener Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik UMSICHT und sechs Industriepartnern ein Modul zur direkten Laser-Mikrostrukturierung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Ziel ist es, mit Hilfe dieses Systems eine siebartige Metallfolie als Demonstrator zu fertigen, die zum Sonnenschutz von Glasfassaden verwendet wird: Durch ihre besondere Geometrie wird die Sonneneinstrahlung reduziert, woraus sich ein verminderter Energieaufwand für Kühlung und Belüftung ergibt.

Das Fraunhofer IPT ist im Projekt »PoLaRoll« für die Prozessentwicklung der Laserstrukturierung sowie für die Mess- und Systemtechnik zuständig. Von den...

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Marine Pilze – hervorragende Quellen für neue marine Wirkstoffe?

28.06.2017 | Veranstaltungen

Willkommen an Bord!

28.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

EUROSTARS-Projekt gestartet - mHealth-Lösung: time4you Forschungs- und Entwicklungspartner bei IMPACHS

28.06.2017 | Unternehmensmeldung

Proteine entdecken, zählen, katalogisieren

28.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Scheinwerfer-Dimension: Volladaptive Lichtverteilung in Echtzeit

28.06.2017 | Automotive