13-07-2006

Leuchtender Atomsortierer

Wie bringt man einzelne Atome in die richtige Reihenfolge? Zum Beispiel mit zwei gekreuzten Lichtwellen.

Mit einem Förderband aus Lichtwellen hatten Bonner Physiker um Arno Rauschenbeutel und Dieter Meschede vor drei Jahren einzelne Atome einen Zentimeter weit bewegt und dabei gefilmt. Jetzt haben sie mit zwei gekreuzten Lichtwellen bis zu sieben Atome in Reih und Glied umsortiert und in einen gewünschten Abstand voneinander gebracht. Dieser Atomsortierer könnte ein wichtiger Bestandteil eines zukünftigen Quantencomputers sein, der in Atomen gespeicherte Quanteninformation verarbeitet.

Für ihr erstaunliches Kunststück benutzten die Bonner Forscher Cäsiumatome, die sie in einer magneto-optischen Falle einfingen und auf Temperaturen von weniger als einem Tausendstel Kelvin abkühlten. Anschließend wurden die Atome in eine optische Dipolfalle geladen – eine horizontale, stehende Lichtwelle, die von zwei einander entgegen gerichteten Laserstrahlen erzeugt wurde. Die Frequenz der Laserstrahlen war so gewählt, dass sie die Atome nicht anregen konnten. Die Atome wurden aber polarisiert und zu den Intensitätsmaxima der stehenden Lichtwelle gezogen. Diese Potentialmulden der optischen Dipolfalle hatten einen Abstand von 500 nm.

Die Atome verteilten sich in zufälliger Weise auf die Potentialmulden der optischen Dipolfalle, wobei in jeder Mulde höchstens ein Atom saß. Wo sich die Atome befanden, verrieten sie durch ihr Fluoreszenzleuchten, das vom Licht der magneto-optischen Falle angeregt wurde. Wenn die Phasen der beiden Laserstrahlen der Dipolfalle verschoben wurden, so bewegten sich die Potentialmulden der Dipolfalle und mit ihnen die Atome. Dabei änderte sich allerdings die Anordnung der Atome nicht.

Um die Atome umzusortieren, mussten man sie einzeln aus einer Mulde herausnehmen und in eine andere Mulde wieder absetzen können. Dazu erzeugten die Forscher mit zwei Laserstrahlen eine weitere optische Dipolfalle, die senkrecht ausgerichtet war und die erste Dipolfalle kreuzte. Auch bei dieser Falle ließen sich die Potentialmulden durch eine Phasenveränderung bewegen. Für beide Fallen verliefen die Potentialmulden längs der jeweiligen Fallenachse viel steiler als in radialer Richtung. Die in axialer Richtung wirkenden Kräfte waren somit viel stärker als die radialen Kräfte. Deshalb konnte man ein Atom, das in einer Potentialmulde der horizontalen Falle saß, mithilfe der senkrechten Falle wie mit einer Pinzette aus der Potentialmulde herausziehen und damit aus dem Wirkungsbereich der horizontalen Falle entfernen.

Durch abwechselnde Bewegung der beiden optischen Dipolfallen ließ sich ein Atom gezielt einer Potentialmulde der horizontalen Falle entnehmen und in einer anderen Mulde wieder absetzen. Auf diese Weise konnten die Bonner Physiker die Atome nach und nach umsortieren und so anordnen, dass benachbarte Atome in der horizontalen Falle den gewünschten Abstand voneinander hatten. Um sieben Atome zu sortieren, benötigten sie etwa zwei Sekunden. Wenn die Atome anfangs einen Abstand von mindestens 10 µm hatten, so konnten sie mit dem Sortierverfahren auf einen einheitlichen Abstand von 15,27 µm gebracht werden, wobei die Standardabweichung 0,78 µm betrug.

Solch eine Kette von Atomen, die einen einheitlichen Abstand voneinander haben und die den störenden Umwelteinflüssen weitgehend entzogen sind, könnte benutzt werden, um in einem Quantencomputer Information zu speichern und zu verarbeiten. Es ist geplant, zunächst zwei Cäsiumatome mit Quanteninformation zu beschreiben und zwischen zwei Spiegel zu bringen, wo sie die Information durch ihr Fluoreszenzlicht austauschen können. Der Atomsortierer ermöglicht es dabei, die Atome auszuwählen, an die gewünschte Stelle zu bringen und im richtigen Abstand voneinander zu halten.

Rainer Scharf

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