Atomförderband aus Licht

News: Atomförderband aus Licht

Quantencomputer sollen irgendwann einmal komplexe Rechenaufgaben während eines Wimpernschlages lösen. Jedoch ist das bislang reine Theorie, denn es ist recht schwierig, einzelne Atome präzise zu kontrollieren. Deutsche Forscher haben nun aber einen Weg gefunden, neutrale Cäsiumatome gezielt mit einer Art optischen Förderbands zu steuern.

Thorsten Krome

Atome sind so klein, dass es schon besonderer Mikroskope bedarf, sie sichtbar zu machen. Aber wie ist es erst, einzelne Atome gezielt zu bewegen? Hie und da gelangen solche Experimente bereits, aber der Aufwand ist groß und für künftige Anwendungen kaum praktikabel. Denn es dauert recht lange, einzelne Oberflächenatome mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskopes aufzusammeln und anschließend an anderer Stelle wieder abzusetzen.

Schließlich gibt es Möglichkeiten, einzelne Ionen in speziellen Fallen zu fangen und an den gewünschten Ort zu bewegen. Bei Atomen scheitern diese Verfahren aber in aller Regel, da sie als neutrale Teilchen nur schwach mit elektrischen Feldern wechselwirken. Stefan Kuhr und seinen Kollegen vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn gelang es nun aber doch mit einer besonders konstruierten Atomfalle, einzelne Cäsiumatome einzufangen und kontrolliert zu bewegen.

Das Herzstück ihrer Anlage ist dabei eine konventionelle magnetooptische Atomfalle (MOT), bei der ein magnetisches Feld und Laserstrahlen ein Gas soweit abkühlen, dass kaum noch thermische Bewegung stattfindet – es quasi am Ort gefangen ist. Mit dieser Falle sammelten die Bonner Physiker zunächst Cäsiumatome in einem kleinen Raumbereich – etwa zwanzig Mikrometer im Durchmesser. Mit zwei weiteren Laserstrahlen gleicher Wellenlänge und Intensität, die von entgegengesetzten Seiten auf den Bereich der Falle trafen, erzeugten die Physiker außerdem ein Interferenzmuster – eine Streifenstruktur abwechselnd intensiven und schwachen Lichts.

Das elektrische Feld des Laserlichts induzierte nun in den Cäsiumatomen ein elektrisches Dipolmoment – zwei räumlich voneinander getrennte, unterschiedliche Ladungen. Dadurch wechselwirkten die Atome noch stärker mit dem Feld und zwar abhängig von der Intensität des Laserlichts. Die Atome bewegten sich deshalb schnurstracks zum Ort größter Lichtintensität, also zu den Stellen, an denen das Interferenzmuster besonders hell ist. "An dem überlagerten Laserlicht kleben die Atome in etwa wie Papierschnipsel an einem elektrisch aufgeladenen Stück Kunststoff", erklärt Victor Gomer von der Universität Bonn das Prinzip.

Indem die Wissenschaftler nun die Frequenz der Laserstrahlen änderten, konnten sie das Interferenzmuster und damit auch die gefangenen Atome verschieben. Der Ort der Atome ließ sich dabei etwas genauer als die halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts bestimmen – also eine Genauigkeit unterhalb eines Mikrometers. Die genaue Position bestimmten die Physiker, indem sie vorher die Atome mit einem weiteren Laser im Bereich ihrer Resonanzfrequenz zur Fluoreszenz anregten und dieses Licht schließlich mit einem Photodetektor nachwiesen.

Die Forscher konnten die Cäsiumatome in nur 100 Mikrosekunden von null auf zehn Meter pro Sekunde beschleunigen, was in etwa der 10 000-fachen Erdbeschleunigung entspricht. Oder anders ausgedrückt: Ein Auto, das eine solchen Beschleunigung erreichen könnte, würde in weniger als 0,3 Millisekunden von null auf hundert Kilometer pro Stunde beschleunigen.

Nachdem die Atome also erfolgreich bewegt werden konnten, untersuchte Kuhrs Team auch, was passiert, wenn man die Laserfalle während der Bewegung einfach ausschaltete. Wie sich zeigte, bewegten sich die Atome aufgrund ihrer Trägheit weiter geradeaus. Zwar stimmte die Geschwindigkeit nicht ganz mit der vorausberechneten überein, aber prinzipiell funktionierte die Miniaturschleuder.

Das Atomförderband soll nun neue Experimente für die Grundlagenforschung ermöglichen. Man ist recht optimistisch, dass sich auch andere Atome bewegen lassen. Da außerdem neutrale Atome nach Ansicht von Gomer viel besser zum Speichern von Quanteninformationen geeignet sind als Ionen, wäre man auch dem Quantencomputer wieder ein Stückchen näher.