Teilchen sitzen in der Falle

Ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Untersuchung grundlegender Quanteneffekte ist jetzt einem internationalen Forscherteam gelungen. Die Physiker haben eine neuartige Ionenfalle konstruiert, die ein wichtiges Werkzeug für die Kopplung von Lichtteilchen und Atomen darstellt – eine der Voraussetzungen für den Aufbau von Quantennetzen.

Die Wissenschaftler der Universität Erlangen-Nürnberg und des Erlanger Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts um Professor Gerd Leuchs stellen ihre neue Technik zusammen mit Kollegen des National Institute of Standards and Technology in Boulder, USA, in der Online-Ausgabe des Fachmagazins „Nature Physics“ vor.

Ionenfallen erlauben es, einzelne geladene Atome einzufangen und diese über einen längeren Zeitraum festzuhalten. Wissenschaftler können die so fixierten Teilchen mit Hilfe schwacher Laserstrahlen auf ihre physikalischen Eigenschaften untersuchen oder auch den Einfluss der Umwelt auf das Ion erforschen. Die Ionenfalle ermöglicht es, einzelne Teilchen als besonders empfindliche Prüfspitze für Licht und andere elektromagnetische Felder einzusetzen.

Freie Sicht nach allen Seiten

Die meisten bisher konstruierten Fallen schränken den Zugriff auf das Ion allerdings stark ein oder umgeben es nahezu vollständig. Den Forschern in Erlangen und Boulder ist es nun gelungen, die Geometrie der Fallenelektroden so abzuwandeln, das das gefangene Teilchen fast „freie Sicht“ nach allen Seiten hat.

Nun schwebt das geladene Atom wie über einer Nadelspitze und kann nahezu von allen Seiten – etwa 96 Prozent des Raums – untersucht werden. Durch die schlanke Form der Falle kann das Ion, ähnlich wie ein Tastkopf, an Oberflächen herangeführt werden. So lassen sich extrem kleine elektromagnetische Kräfte messen, die bis zu einer Quadrillion mal kleiner als die Erdanziehung sind.

Wichtiger Baustein für Quantennetzwerke

In Erlangen soll mit der Falle ein Ion im Zentrum eines Parabolspiegels von der Größe einer Geldmünze platziert werden. So wollen die Forscher etwas schaffen, was im Allgemeinen erst nach vielen Anläufen gelingt: Das geladene Atom soll in einem kontrollierten Prozess ein einzelnes Lichtteilchen aufnehmen – und das schon beim ersten Versuch. Das Ion speichert dabei auch die Informationen, die das Lichtteilchen trägt.

Dieser Vorgang gilt als eine der Grundlagen der modernen Quantenoptik. Er konnte bislang von der Forschung im Detail aber noch nicht experimentell untersucht werden. Außerdem ist eine Lichtteilchen-Atom-Kopplung ein wichtiger Baustein für die Realisierung von Quantennetzwerken, einer Art Internet für eine vom Prinzip her absolut sichere Übertragung klassischer Daten und zukünftig auch für die Übertragung von Quanteninformation.

(idw – Universität Erlangen-Nürnberg, 01.07.2009 – DLO)