Quantenmechanik in der Tüte

News: Quantenmechanik in der Tüte

Physiker haben ein einzelnes Atom und den winzigen Hohlraum, der es umgeben hat, gezwungen, eine derartig starke Verbindung aufzubauen, daß sich beide zusammen wie ein einzelnes "Atom-Hohlraum-Molekül" verhalten. Dieser seltsame Hybrid wurde mit der Hilfe von gefangenen Photonen gebildet und könnte zu einem beliebten Testobjekt für Experimente zur Quantenmechanik werden.

Die Physiker, deren Interesse der Quantenwelt gilt, verfügen über viele einfache Systeme der Quantenmechanik, die sie studieren könnten, wie zum Beispiel das einfache Wasserstoffatom. Doch diese Systeme sind schwer zu manipulieren und detailliert zu erforschen. Winzige reflektierende Aushöhlungen erscheinen da vielversprechender. Diese Höhlen bestehen aus sphärischen Spiegeln von 10 Mikrometern im Durchmesser und können ein einzelnes Photon über 180 000 Reflektionsvorgänge lang festhalten, bevor es entweicht. Sie zeigen eine sehr starke Kopplung mit einzelnen Atomen, die zusammen mit den Photonen gefangen sind. Außerdem haben jetzt Forscher des California Institute of Technology unter der Leitung von Jeff Kimble demonstriert, daß das gemeinsam vom gefangenen Atom und der Höhle gebildete "Molekül" ein System der Quantenmechanik ist, das die Forscher kontrollieren können (Physical Review Letters vom 11. Mai 1998).

Um dieses System herzustellen, kühlte das Team zunächst Cäsiumatome auf den 20millionstel Teil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt ab. Die Atome fallen dann, eins nach dem anderen, in die Aushöhlung mit nur ein paar wenigen Photonen einer bestimmten Energie. Die Wissenschaftler entdeckten, daß sie, indem sie die Energie der Photonen verändern, die Bindungsstärke zwischen dem Atom und der Aushöhlung kontrollieren konnten. Ferner stellten sie fest, daß die Verbindung derartig stark war, daß jede klassische Störung des Systems (wie Energiedissipierung) völlig bedeutungslos war.

Die starken und kontrollierbaren Wechselwirkungen machen das Atom-Höhlen-Molekül zu einem äußerst nützlichen System, um die Quantenwechselwirkungen zu studieren, zum Beispiel die quantisierte Atombewegung. Das sagt Theresa Lynn, Mitglied der Caltech-Gruppe. "Das System repräsentiert eine experimentelles Meisterwerk", erklärt David Wineland, Physiker am National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, der ähnliche Arbeiten mit Ionen vornimmt. "Das wird eine aufregende, neue Entwicklung für die kohärente Kontrolle von Atomen und Feldern werden", prophezeit sein Kollege Christopher Monroe.