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F.A.Z. v. 29.3.2000

Atome vom Licht gefangen

Stehende Welle aus einzelnen Photonen / Rekonstruktion der Teilchenbahnen / Von Rainer Scharf

Atome können Licht nur portionsweise in Form von Photonen einfangen. Dass umgekehrt auch einzelne Lichtteilchen ein Atom festhalten können, haben jetzt zwei Arbeitsgruppen in den Vereinigten Staaten und in Deutschland unabhängig voneinander gezeigt. Sie fingen einzelne Atome mit einem extrem schwachen Lichtfeld ein, das nur ein oder zwei Photonen enthielt, und beobachteten die Schwingungen der vom Licht fixierten Atome.

Beide Forschergruppen verwendeten für ihre Experimente einen speziellen Lichtresonator, der aus zwei parallelen Spiegeln bestand. Die gut reflektierenden Spiegel hatten einen Abstand von einem zehntel Millimeter. Der spaltförmige Hohlraum dazwischen war von einer sehr schwachen stehenden Lichtwelle erfüllt, die im Mittel weniger als ein Photon enthielt. Sie wurde mit einem Laserstrahl erzeugt, der durch einen der Spiegel in den Resonator hineinleuchtete. Das Laserlicht war geringfügig langwelliger, als es zur Anregung der stehenden Lichtwelle eigentlich ideal gewesen wäre. Dadurch erreichten die Forscher die gewünschte Verstimmung des Resonators. Ein winziger Bruchteil des Lichtes konnte aus dem Hohlraum durch den zweiten Spiegel entweichen. Hinter diesem Spiegel befand sich ein Lichtdetektor, mit dem die Wissenschaftler den Strahl nachwiesen und dadurch indirekt beobachten konnten, was im Inneren des Hohlraums vorging.

In den Hohlraum ließen die Forscher nacheinander einzelne Alkaliatome fallen, die sie zuvor auf Geschwindigkeiten von wenigen Zentimetern pro Sekunde abgebremst hatten. Während die Gruppe um Jeff Kimble vom California Institute of Technology in Pasadena Cäsiumatome für ihr Experiment benutzte ("Science", Bd. 287, S. 1447), verwendeten Gerhard Rempe und seine Mitarbeiter vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching Rubidiumatome ("Nature", Bd. 404, S. 365). Sobald ein Atom in die Lichtwelle zwischen den beiden Spiegeln gelangte, veränderten sich die optischen Eigenschaften des Strahlungshohlraumes drastisch. Der Resonator war nun besser auf das Laserlicht abgestimmt, wodurch die Lichtintensität im Hohlraum zunahm. Als der Detektor die erhöhte Lichtintensität registrierte, wussten die Forscher, dass ein Atom in den Resonator eingetreten war.

Daraufhin verstärkten die Wissenschaftler das Laserlicht, bis sich im Hohlraum ein oder zwei Photonen befanden. Durch die erhöhte Lichtintensität änderten sich die optischen Eigenschaften des Atoms so stark, dass es sich nicht mehr frei bewegen konnte. Es war in einem der Schwingungsbäuche der stehenden Lichtwelle gefangen, wo die Lichtintensität besonders groß war. Hohlraum und Atom tauschten dabei fortwährend Photonen aus. Beide verbanden sich zu einem molekülähnlichen Zustand.

Das gefangene Atom konnte nur noch um seine Ruhelage oszillieren. Als Folge dieser Schwingungen änderte sich auch die Lichtintensität. Mit dem Signal, das der Detektor lieferte, haben die kalifornischen Wissenschaftler die Bahn des Atoms im Hohlraum grob verfolgt. Bei seiner Bewegung konnte das Atom plötzlich eines der Photonen absorbieren und anschließend in eine unvorhersehbare Richtung wieder abstrahlen. Dabei erlitt es einen Rückstoß, der das Teilchen aus der Bahn werfen konnte oder es ihm sogar ermöglichte, die Lichtwelle und schließlich den Hohlraum zu verlassen. Wie beide Arbeitsgruppen berichten, können einzelne Photonen ein Atom bis zu zwei Millisekunden lang festhalten. Die Garchinger Wissenschaftler haben sogar die Bewegungen einzelner Atome von einem Schwingungsbauch zum nächsten beobachtet. Dabei wechselten schnelle Oszillationen des Atoms mit linearen Flugbewegungen ab.

Die amerikanischen und die deutschen Wissenschaftler hoffen, das Zusammenspiel einzelner Atome und Photonen in Hohlräumen künftig noch besser kontrollieren zu können. Sie wollen eine so genannte Photonenpistole bauen, die auf Knopfdruck ein Photon mit der gewünschten Flugrichtung und Polarisation erzeugt. Diese wäre eine ideale Quelle von Quantenbits. Diese Bits benötigt man für den Datenaustausch in einem so genannten Quantencomputer.

Auch sollte sich die Bewegung der an die Photonen gebundenen Atome noch besser beherrschen lassen. Bisher nehmen die Wissenschaftler vereinfachend an, dass sich die Atome auf fest umrissenen Bahnen bewegen. Man weiß jedoch aus Erfahrung, dass bei genaueren Untersuchungen die quantenmechanische Wellennatur der Atombewegung zum Vorschein kommen muss. Durch die kontrollierte Wechselwirkung eines Atoms mit einem Photon könnte es möglich werden, die atomare Materiewelle gewissermaßen auszulesen und mit Hilfe des Photons zu teleportieren. Dadurch könnte die in einem Atom gespeicherte Quanteninformation auf ein anderes übertragen werden.
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