Physik-Nobelpreis für die Erfinder von Quantenfallen

Der diesjährige Nobelpreis für Physik geht an zwei Quantenphysiker, die erstmals Quanten – die kleinsten Teilchen der Materie – messbar und manipulierbar gemacht haben. Der Franzose Serge Haroche und der US-Amerikaner David Wineland entwickelten spezielle Fallen, in denen sich einzelne Atome und Lichtteilchen einfangen, manipulieren und messen lassen. Dies galt zuvor als unmöglich.

In der Welt der Quanten, der Atome und Lichtteilchen, herrschen eigene Gesetze. So ist ein Teilchen beispielsweise keineswegs immer und überall ein Teilchen, sondern kann sich auch wie eine Welle verhalten. Umgekehrt können Licht und andere Wellen auch als Teilchen reagieren. Aber nicht nur die Natur eines Objektes in der Quantenwelt ist uneindeutig, es weigert sich auch, sich auf einen Ort festlegen zu lassen. Diese 1920 von dem Physiker Werner Heisenberg entdeckte sogenannte „Unschärfe“ bedeutet, dass sich der konkrete Aufenthaltsort von Quanten nur als Wahrscheinlichkeit schätzen lässt. Im Extremfall kann ein Teilchen dabei sogar gleich wahrscheinlich an zwei Orten sein – seine beiden möglichen Zustände überlagern sich, wie Quantenphysiker sagen.

Aus dieser Überlagerung resultiert auch das große Dilemma aller quantenphysikalischen Experimente: Jede Messung in der Quantenwelt zerstört den Überlagerungszustand des Teilchens und verändert seine Eigenschaften – vergleichbar einem Handabdruck in feuchtem Lehm, der die ursprüngliche Form verzerrt. Deshalb galt es lange Zeit als unmöglich, die quantenphysikalischen Eigenschaften von Atomen oder Lichtteilchen – Photonen – zu messen. Serge Haroche und David Wineland gelang es aber, unabhängig voneinander Fallen zu konstruieren, mit denen sich Quanten in ihrem Überlagerungszustand einfangen und untersuchen lassen.

Funktionsweise der Ionenfalle von Wineland: Beryllium-Ionen werden durch von Elektroden erzeugte elektrische Felder gefangen und durch Laserlicht manipuliert © Nobel Foundation

Vibrierendes Teilchen in elektrischer Falle

David Wineland und seine Kollegen an der University of Colorado in Boulder gingen für ihre Falle zunächst von der Idee aus, dass sich geladene Teilchen durch elektrische Felder einfangen lassen. Da sich gleiche Ladungen abstoßen – wie bei einem Magneten – hindert beispielsweise eine positive elektrische Barriere ein positives Teilchen daran, diese zu passieren. Die Forscher fingen auf diese Weise Beryllium-Ionen in einer Falle. Um Störeffekte auszuschließen, herrscht in einer solchen Falle ein Vakuum.

Das in der Falle gefangene Teilchen steht jedoch nicht still, sondern vibriert je nach seinem Energiegehalt schneller oder langsamer. Die Geschwindigkeit dieser Vibrationen verändert sich nicht gleitend. Stattdessen springt das Teilchen je nach Energiegehalt in verschiedene Stufen. Winelands Falle nutzt nun Laserstrahlen, um dem Atom genau so viel Energie zuzuführen, dass es zwischen zwei solchen Stufen liegt. Es entsteht eine Überlagerung, denn beide Stufen sind nun gleich wahrscheinlich. Die über Laser zugeführte Energie und die Vibrationen des Atoms lassen sich messen – und damit auch die quantenphysikalischen Eigenschaften des gefangenen Teilchens. Das Prinzip dieser Falle wird heute beispielsweise genutzt, um extrem genaue Atomuhren zu konstruieren, in denen die Schwingungen eines eingefangenen Ions als Zeitgeber dienen.

Prinzip der Photonenfalle von Haroche: Supraleitende Niobium-Spiegel halten ein Mikrowellen-Photon rund eine Zehentelsekunde gefangen. In dieser Zeit wird ein Rydberg-Atom durch den Hohlraum geschickt. Hat sich beim Austritt dessen Zustand verändert, lässt sich daran ablesen, ob ein Photon in der Falle wasr oder nicht. © Nobel Foundation

Photon zwischen zwei Spiegeln

Serge Haroche und sein Team vom Collège de France und der Ecole Normale Supérieure in Paris gingen für ihre Falle einen anderen Weg. Statt Laserlicht und elektrischen Feldern nutzten sie winzige Spiegel aus einem supraleitenden Material als Falle. Bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt reflektieren diese Spiegel so stark, dass ein Mikrowellen-Photon zwischen ihnen eine Zehntel Sekunde lang mit rasender Geschwindigkeit hin und her geworfen wird. Das Photon legt dabei immerhin 40.000 Kilometer zurück – einmal um die Erde.

Während das Photon in der Falle hin und herspringt, lassen Haroche und seine Kollegen einzelne Atome den Weg des Teilchen kreuzen. Diese sogenannten Rydberg-Atome sind rund tausendfach größer als normale Atome und ähneln kleinen Ringen oder Doughnuts. Kreuzt ein solcher Doughnut die Falle, tritt er in Wechselwirkung mit dem Photon – sein Quantenzustand ändert sich. Beim Austritt aus der Falle können die Forscher diese Veränderung messen und so feststellen, dass sich ein Photon in der Falle befindet. Auf diese Weise gelang es ihnen erstmals, ein einzelnes Photon in einer Falle zu halten und zu messen, ohne es dabei zu zerstören.

„Die Nobelpreisträger haben uns damit eine Tür zu einer neuen Ära quantenphysikalischer Experimente geöffnet“, schreibt das Nobel-Komitee in seiner Würdigung. Durch ihre Methoden sei es nun möglich, einzelne Teilchen zu fangen, zu untersuchen und zu manipulieren.

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(Nobel Foundation, 09.10.2012 – NPO)