Frankfurter Allgemeine Zeitung, 27.06.2001

Förderband für einzelne Atome

Teilchen mit zwei Lichtstrahlen befördert und fortkatapultiert

Noch in den fünfziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts waren die Pioniere der Quantenphysik davon überzeugt, daß Experimente mit einzelnen Atomen schlichtweg unmöglich seien. Daß Physiker heutzutage Atome oder Moleküle auf einer Oberfläche wie Billardkugeln verschieben können, ist schon lange nichts Ungewöhnliches mehr. Moderne Tunnel- und Kraftmikroskope haben das möglich gemacht. Größere Mühe bereitet es dagegen, ein einzelnes Atom in der Schwebe zu halten und kontrolliert wenige Zentimeter weit zu befördern. Dieses Kunststück ist jetzt Forschern von der Universität Bonn gelungen.

Die Wissenschaftler um Victor Gomer und Dieter Meschede verwendeten für ihre Experimente Cäsiumatome, die als Dampf in einer Vakuumkammer eingeschlossen waren. Eine Handvoll Atome fingen sie zunächst in einer magnetooptischen Falle - einer Kombination aus sechs Laserstrahlen und einem magnetischen Feld - ein und kühlten die Teilchen so weit ab, bis sie fast ruhten. Je nach Dampfdruck konnten die Forscher die Zahl der gefangenen Cäsiumatome genau einstellen.

Der magnetooptischen Falle überlagerte man anschließend eine sogenannte Dipolfalle, die aus zwei entgegengesetzt gerichteten intensiven Laserstrahlen bestand. Die Laserstrahlen wurden so zur Überlagerung gebracht, daß sich eine stehende Lichtwelle ausbildete. Zwischen den Cäsiumatomen und der Welle wirkten elektrische Dipolkräfte, die die Atome an den Ort der höchsten Lichtintensität, den Bäuchen der Stehwelle, zogen und dort festhielten. Die Wellenlängen der beiden sich überlagernden Lichtstrahlen waren so gewählt, daß die Cäsiumatome ihr Licht nicht absorbieren konnten. Schalteten die Forscher die magnetooptische Falle aus, waren die Atome nur noch in der Dipolfalle gefangen. Durch geschickte Wahl der experimentellen Bedingungen ist es den Forschern gelungen, ein einziges Cäsiumatom mit den beiden Laserstrahlen an einem Ort in der Schwebe zu halten.

Als die Wissenschaftler die Wellenlänge des einen Laserstrahls geringfügig veränderten, begann das Atom, sich langsam in eine Richtung zu bewegen. Aus der Stehwelle war eine Wanderwelle geworden, die das Atom wie ein Förderband transportierte. Wie die Forscher in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Science" berichten, haben sie das Teilchen auf diese Weise Mikrometer für Mikrometer einen Zentimeter weit befördert, ohne daß es dabei verlorenging. Je schneller man die Frequenz variierte, desto schneller bewegte sich das Atom. Als die Wissenschaftler einen der beiden Laser schließlich ausschalteten, flog das Teilchen mit unverminderter Geschwindigkeit frei weiter - ein Katapult war verwirklicht. Die Wissenschaftler konnten den Ort des Cäsiumatoms durch Anregung mit einem weiteren Laser während ihrer Versuche verfolgen.

An Ionen lassen sich solche Kunststücke schon seit langem demonstrieren. Die geladenen Teilchen können vergleichsweise leicht isoliert und manipuliert werden. Daß sich jetzt auch ein einzelnes neutrales Atom eine vergleichsweise weite Strecke transportieren läßt, eröffnet nach Ansicht der Bonner Forscher viele Anwendungen. So kann ein Atom ohne äußere Störungen durch andere Atome in einem außerordentlich fragilen quantenmechanischen Zustand gehalten werden, wie man es für einen künftigen Quantencomputer oder logische Quantenschalter benötigt. Ebenso lassen sich nun einzelne Atome mit dem optischen Förderband in einen von zwei Spiegeln eingeschlossenen Hohlraum bringen, wo sie mit einer bestimmten Zahl von Photonen wechselwirken können. Die physikalischen Prozesse wie der Austausch nur eines Photons zwischen zwei Atomen ließen sich dann studieren und nahezu perfekt kontrollieren.

mli

  Zurück zur Startseite