Seit Jahrzehnten versuchen Physiker einen Laser zu realisieren, der statt Licht mechanische Schwingungsquanten, so genannte Phononen, aussendet. Jetzt ist es erstmals gelungen, mithilfe eines einzelnen Magnesiumions und blau- verstimmter Laserstrahlung, die Erzeugung solcher kohärenter Phononen zu stimulieren. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nature Physics“ berichten, stellt dieser Aufbau ein mechanisches Analogon zu einem optischen Laser dar, an dem sich die Dynamik eines Phononenlasers grundlegend untersuchen lässt.
Phonenen – seltsame Schwingungen im Kristallgitter
Wenn sich ein Elektron langsam durch den Kristall bewegt, führt dies zu einer Verzerrung des Kristallgitters in seiner Umgebung. Die negative elektrische Ladung des Elektrons stößt negativ geladene Atome ab und zieht positiv geladene an. Hierdurch werden die Atome in Schwingungen um ihre Ruhelage versetzt: Gitterschwingungen, so genannte Phononen, entstehen. Diese Phononen sind in den letzten Jahren in den Mittelpunkt des Interesses vieler Forschergruppen getreten.
Denn wenn sich solche Schwingungen als harmonische Oszillationen kontrolliert und gerichtet in einem Laser erzeugen ließen, würden sich völlig neue Anwendungsmöglichkeiten wie die Messung extrem schwacher Kräfte oder eine hoch aufgelöste Tomographie eröffnen. Ein erster Schritt in diese Richtung ist nun Wissenschaftlern vom Max-Planck Institut für Quantenoptik aus der Abteilung Laserspektroskopie von Professor Theodor W. Hänsch in Zusammenarbeit mit dem Gastwissenschaftler Professor Kerry Vahala vom California Institute of Technology gelungen. Sie haben an einem einzelnen, auf etwa ein Millikelvin gekühlten Magnesiumion demonstriert, dass blau-verstimmte Laserstrahlung die Erzeugung kohärenter Phononen stimulieren kann.
Magnesiumion in „Paulfalle“
In ihrem Experiment speichern die Wissenschaftler zunächst ein einzelnes positiv geladenes Magnesiumion in einer elektromagnetischen so genannten „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.
„Blau-verstimmter“ Laser bringt Ion zum Schwingen
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, 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. Die Wissenschaftler beobachteten dieses Verhalten und verglichen es quantitativ mit der Theorie, indem sie hochauflösende aber zeitgemittelte Bilder eines einzelnen Ions erstellten.
„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 Maximilian Herrmann aus der Abteilung Laserspektroskopie.
Ein-Ion-System als Beginn eines Trends
Erst die Implementierung von Phononenlasern in Festkörpern würde Anwendungen wie hoch aufgelöste Tomographie ermöglichen. Diesbezügliche Versuche sind aber bisher an der großen Zahl der beteiligten Atome in Festkörpern gescheitert. Von dieser Anwendung ist auch das jetzt am MPQ durchgeführte Experiment noch ein Stück weit entfernt. Insbesondere der geplante Übergang von einem einzelnen Ion zu ein- oder mehrdimensionalen Systemen könnte aber den Durchbruch für mögliche Anwendungen bringen.
„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“.
(Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 25.08.2009 – NPO)
