Physiker halten ein einzelnes Atom im Takt

Ob beim Löffeln einer Suppe oder beim Landen eines Flugzeugs – Handlungen wie diese erfordern immer eine kontrollierte Bewegung. Dies ist nur mit einem Regelkreis möglich, gleich ob in unserem Gehirn oder im Bordcomputer: Die aktuelle Position des Objektes wird gemessen und Abweichungen von der Wunschposition werden dauernd korrigiert. Auch die Bewegung eines einzelnen Atoms lässt sich so kontrollieren und seine Position genau beobachten. Das konnten Physiker der Saar-Uni gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck, Karlsruhe und Mainz erstmals zeigen. Die Ergebnisse könnten in der Quanteninformationstechnologie zur Anwendung kommen und die Informationsübertragung zwischen Atomen vereinfachen.

Wenn Forscher einzelne Atome näher untersuchen wollen, müssen sie in die Trickkiste greifen und die Atome in einer Falle festhalten. „Bei der sogenannten Paul-Falle, die nach dem Nobelpreisträger Wolfgang Paul benannt ist, sperrt man die Atome in einem elektromagnetischen Feld ein“, erläutert Jürgen Eschner, Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes. „Kühlt man das Atom zusätzlich, bewegt es sich nur noch in einem Bereich, der einige zehn Nanometer groß ist.“ Auch die Physiker um Eschner haben diesen Ansatz für ihre Versuche verwendet. „Das Atom schwingt hierbei noch mit einer Frequenz von rund einem Megahertz hin und her“, erklärt Eschner. „Dabei gerät es bei etwa 1000 Schwingungen einmal aus dem Takt.“

Damit das Atom nicht mehr „so schnell“ aus dem Rhythmus kommt, haben Eschners Kollegen in Innsbruck einen Regelkreis entwickelt, der die Bewegung eines Atoms derart kontrolliert, dass das Teilchen langsamer wird, wenn es zu schnell schwingt und umgekehrt. Die Physiker haben dazu eine Radio-Sendefrequenz verwendet und die Bewegung des Atoms mit der Frequenz in Einklang gebracht. „Auch wenn wir die Frequenz verändert haben, ist das Atom im Takt geblieben, so als ob es zu einer bestimmten Musik tanzt“, schiebt Eschner ein.

Wie gut der Regelkreis die Bewegung des Atoms kontrolliert, zeigt die Tatsache, dass das Teilchen bei zehn Millionen Schwingungen nur noch einmal aus dem Takt gerät.

Das System, das die Physiker in ihrer Studie präsentieren, eignet sich auch dazu, zwei beliebig weit voneinander entfernte Atome im Gleichtakt schwingen zu lassen. Dies würde die Kommunikation zwischen zwei Atomen vereinfachen und könnte künftig in der Quanteninformationstechnologie zum Einsatz kommen.

Damit die Physiker das Atom überhaupt im Takt halten konnten, mussten sie zunächst einmal die Position des Atoms in der Falle genau bestimmen. In dieser Studie ist es ihnen nun erstmals gelungen, die aktuelle Position eines Atoms kontinuierlich zu verfolgen: So können sie bis auf 20 Nanometer genau sagen, wo es sich in der Falle gerade befindet. Hierbei ermitteln die Physiker Geschwindigkeit und Aufenthaltspunkt des Teilchens mit einem Laser – die Methode ähnelt im Prinzip einem Geschwindigkeitsmesser der Polizei.

Die Wissenschaftler der Saar-Universität versuchen bekannte Kommunikationstechnologien in der Quantenwelt anzuwenden. In vorangegangenen Studien haben die Physiker um Eschner in Innsbruck bereits gezeigt, dass ein Regelkreis auch hilft, ein einzelnes Atom besser zu kühlen. „Wenn wir beide Methoden, Kühlung und Synchronisation, nun gleichzeitig anwenden, können wir die Atombewegung optimal kontrollieren“, kommentiert Eschner.

(Physical Review Letters, 2013;doi 10.1103/PhysRevLett.110.133602)

(Universität des Saarlandes, 02.05.2013 – KSA)