Das Atom in der Rückkopplungsschleife

Die Bahn eines einzelnen Atoms lässt sich nun in Echtzeit verfolgen. Gerät das Teilchen dabei auf Abwege, kann man sofort eingreifen.

Von Rainer Scharf

Noch vor sechzig Jahren schienen Experimente mit einzelnen Atomen prinzipiell unmöglich. Heutzutage manipulieren die Physiker die Teilchen, als wären es winzige Kugeln. In speziellen Käfigen eingesperrt, lassen sie sich von der Umgebung isolieren und zum Leuchten anregen sowie in exotische Quantenzustände überführen. Jetzt ist Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching ein weiteres Kunststück gelungen. Sie haben die Bewegungen eines einzelnen Atoms mit bisher unerreichter Präzision kontrolliert und gesteuert. Dabei konnten sie seine Verweildauer in einem optischen Resonator auf das Hundertfache erhöhen.

Während sich die Bewegungen eines Ions anhand seiner elektrischen Ladung leicht verfolgen und lenken lassen, muss man bei einem ungeladenen Atom zu anderen Mitteln greifen, will man es in ähnlicher Weise manipulieren. Die Forscher um Alexander Kubanek und Gerhard Rempe verwendeten für ihre Experimente einen optischen Resonator aus zwei einander zugewandten kreisförmigen Spiegeln, die einen Abstand von nur 0,1 Millimetern hatten. In dem zylinderförmigen Zwischenraum erzeugten die Physiker mit einem intensiven Laserstrahl eine stehende Lichtwelle, die die Bewegungsfreiheit eines einzelnen Rubidiumatoms, das man zwischen die beiden Spiegel gebracht hatte, stark einschränkte. Das Atom wurde allerdings nur daran gehindert, sich längs der Achse des Resonators zu bewegen. Senkrecht dazu konnte es jederzeit aus dem Resonator fliegen.

Mit einem speziellen Rückkopplungsmechanismus ist es den Forschern gelungen, jeden Fluchtversuch zu vereiteln, wie sie in der Zeitschrift "Nature" (Bd. 462, S. 898) berichten. Sie haben einen zweiten, extrem schwachen Laserstrahl in den Resonator eingestrahlt, der wie eine Lichtschranke wirkte und das Eingangssignal für die Rückkopplungsschleife bildete. Seine Wellenlänge hatte man so gewählt, dass er von beiden Spiegeln vollständig durchgelassen wurde, falls sich kein Atom im Resonator befand. Mit einem Detektor hinter einem Spiegel registrierten die Forscher die austretenden Photonen. Etwa eine Million passierten pro Sekunde den atomfreien Resonator.

Das änderte sich augenblicklich, wenn ein einzelnes Atom zwischen die Spiegel geriet. Es störte die Resonanzfrequenz des Lichts und schwächte dadurch den Strom der austretenden Lichtteilchen ab, ohne dabei von Photonen getroffen zu werden. Hielt es sich auf der Längsachse des Resonators auf, war der Effekt am stärksten ausgeprägt. Die Zahl der Photonen, die pro Sekunde aus dem Resonator traten, ging nun auf etwa 30 000 zurück. Bewegte sich das Teilchen von der Achse weg, nahm die Photonenrate zu, um abermals abzunehmen, sobald sich das Atom der Achse wieder näherte.

Mit diesem Kunstgriff konnten die Forscher verfolgen, wie sich das Atom zwischen den Spiegeln hin und her bewegte. Eine schnelle Elektronik ermittelte aus der Zahl der vom Detektor registrierten Photonen, in welche Richtung das Atom sich bewegte, und setzte daraufhin die Rückkopplung in Gang. Drohte das Atom von der Zylinderachse wegzufliegen, wurde innerhalb eines Bruchteils einer Sekunde ein weiterer Laserstrahl eingeschaltet, dessen Licht das Atom augenblicklich zur Umkehr zwang.

Das Rubidiumatom wurde auf diese Weise immer dann abgebremst, wenn es aus dem Zwischenraum herausfliegen wollte. Weil es auf dem Weg hin zur Achse keine beschleunigende Kraft durch einen Laserstrahl spürte, trat ein Kühleffekt auf. Das Atom verlor zunehmend an Bewegungsenergie. Dadurch ließ es sich wesentlich länger im Resonator halten, als es bei früheren Experimenten möglich gewesen war. Die Verweildauer des Atoms nahm von einigen tausendstel Sekunden auf etwa eine Viertelsekunde zu, was für atomare Verhältnisse eine Ewigkeit bedeutet.

Wichtiger als das neuartige Kühlverfahren und die Verlängerung der Speicherzeit ist nach Meinung der Forscher die quantenmechanische Bedeutung des Experiments. So zeige es, dass man durch nahezu kontinuierliches Messen der Position recht verlässliche Aussagen über den Aufenthaltsort eines Atoms machen könne, sagt Gerhard Rempe. Vielleicht wird es bald sogar möglich sein, Atome mit einer Genauigkeit auf Bahnen zu halten, wie es die Unschärfebeziehung von Werner Heisenberg gestattet. Ihr zufolge werden die Bewegungen eines Teilchens immer unkontrollierbarer, je genauer man seine Position bestimmt. Will man ein Atom auf einer vorgegebenen Bahn halten, darf man deshalb seine Bewegungfreiheit nicht zu stark einschränken.

Text: F.A.Z., 06.01.2010, Nr. 4 / Seite N2