Ein „Sensor“ aus nur einem Atom reagiert sogar auf Kräfte von gerade einmal fünf Quadrillionstel Newton, das zeigt ein jetzt in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlichtes Experiment. Erreicht wurde dies durch eine spezielle Behandlung eines Magnesium-Ions in einer Ionenfalle und die Messung der Synchronisation mit einem äußeren Feld. Eingesetzt werden könnte diese Technik zukünftig beispielsweise, um das Magnetfeld einzelner Moleküle zu messen oder fundamentale Theorien zu überprüfen.
Bereits im 17. Jahrhundert bemerkte der niederländische Physiker Christiaan Huygens, dass sich zwei Pendel exakt synchronisieren können, falls sie die Möglichkeit haben sich gegenseitig zu beeinflussen. Interessanterweise muss diese Wechselwirkung gar nicht stark sein, im Beispiel der Pendel kann es genügen, wenn beide an der gleichen Wand aufgehängt sind. Heute weiß man, dass eine enorme Vielfalt von schwingungsfähigen Systemen diese Synchronisationseigenschaft zeigt, von Orgelpfeifen über Laser bis hin zu elektronischen Schwingkreisen. Einer Forschergruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik ist es nun gelungen, dieses technisch wichtige Phänomen sogar an einem einzelnen extrem kalten Atom zu beobachten.
Ion in der Elektrodenfalle
Ausgangspunkt für dieses Experiment ist ein einzelnes Magnesium-Ion, das in einer sogenannten
Paulfalle gespeichert wird. Die elektrischen Wechselfelder von im Quadrat angeordneten Elektroden halten das Ion an einem bestimmten Punkt in der Falle fest, während ein Vakuumsystem dafür sorgt, dass es möglichst ungestört schwingen kann. Nun kommen zwei Laser ins Spiel, die sorgfältig so abgestimmt werden, dass sie das Ion stabil mit einer Amplitude von etwa einem zehntel Millimeter hin und her schwingen lassen. Eine hochauflösende Optik und eine empfindliche Kamera erlauben es, diese Oszillation anhand des gestreuten Lichts zu registrieren.
Um die Synchronisation dieses optisch angeregten Oszillators mit einer externen Quelle zu untersuchen, wird ein weiteres schwaches elektrisches Wechselfeld – ein Radiosignal – an eine nahegelegene Elektrode angelegt und die Schwingung des Ions stroboskopisch beobachtet. Die Frequenz des externen Feldes unterscheidet sich dabei nur wenig von der Schwingungsfrequenz des Ions. Wenn die Amplitude des eingestrahlten Radiosignals groß genug ist, synchronisiert sich die Oszillation des Ions und es schwingt in Phase mit dem Radiosignal.
Reaktion schon bei fünf Quadrillionstel Newton
Eine sorgfältige Bestimmung der Kräfte, die das eingestrahlte Wechselfeld auf das Ion ausübt, zeigt, dass Synchronisation bereits bei extrem schwachen Anregungen von nur fünf Yoctonewton erfolgt – das entspricht fünf Quadrillionsteln eines Newton. Durch diese Kraft würde das Ion nur um etwa einen Nanometer aus seiner Ruheposition verschoben werden. Nachzuweisen wäre dies ohne die hier eingesetzten „Tricks“ der Forscher kaum, denn allein aufgrund seiner Temperatur schwingt das Ion bereits mit einer Amplitude von 5.000 Nanometern hin und her.
Die jetzt nachgewiesene hohe Empfindlichkeit eines Einzelatoms könnte nun beispielsweise dazu genutzt werden, um mit Hilfe eines solchen atomaren Sensors das magnetische Feld eines einzelnen Moleküls zu bestimmen und damit fundamentale Theorien zu überprüfen. Die hier vorgestellte Arbeit ist ein vielversprechender erster Schritt in diese Richtung.
(Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 06.08.2010 – NPO)
