Ein gutes Jahr für die Atom- und Quantenphysik

  • 01. January 2013

Das hinter uns liegende Jahr hat für die Atom- und Quantenphysiker zahlreiche Erfolge und Durchbrüche gebracht. Das waren die Highlights 2012.

Mit Serge Haroche und David Wineland haben zwei ihrer Kollegen den diesjährigen Physik-Nobelpreis erhalten. Nach den Nobelpreisen für Chu, Cohen-Tannoudji und Phillips (1997), für Cornell, Ketterle und Wieman (2001) sowie für Glauber, Hall und Hänsch (2005) unterstreicht die erneute Preisvergabe für Arbeiten in der Atom- und Quantenphysik die herausragende Bedeutung dieser Forschungsbereiche.

Rydberg

Haroche und seine Kollegen vom Laboratoire Kastler-Brossel in Paris haben ein Experiment durchgeführt, das die Väter der Quantenphysik kaum für möglich gehalten hätten. Sie haben in einem supraleitenden Hohlraum elektromagnetische Felder mit definierter Photonenzahl (bis zu N=7) hergestellt und beobachtet. Dazu ließen sie hochangeregte Rydberg-Atome einzeln durch den Hohlraum fliegen. Die Atome emittierten oder absorbierten einzelne Photonen – oder sie zählten die vorhandenen Photonen zerstörungsfrei, wobei sich je nach der Feldstärke im Hohlraum eine messbare Phase des Rydberg-Zustandes mehr oder weniger stark änderte.

Rydberg-Zustände hat man auch bei Experimenten mit ultrakalten atomaren Gasen genutzt. Regt man ein Atom in der Gaswolke mit einem Laser in einen Rydberg-Zustand an, so verstimmt sein riesiges elektrisches Dipolmoment die umliegenden Atome im Umkreis von einigen µm, sodass sie nicht mehr vom Laser angeregt werden können. Mit dieser „Rydberg-Blockade“ konnten Forscher um Alex Kuzmich vom Georgia Tech die Atome einer ultrakalten Wolke in eine Überlagerung von Zuständen bringen, bei denen jeweils nur ein Atom angeregt war. Kehrten die Atome in ihren Grundzustand zurück, so emittierten sie ein Photon. Aufgrund der Blockade wurde tatsächlich immer nur ein Photon abgestrahlt. Als die Forscher die Atome in diesem kollektiven Rydberg-Zustand resonant anregten, traten kollektive Rabi-Oszillationen auf, die hier erstmals beobachtet wurden. 

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Abb.: Das Zusammenspiel von elektromagnetisch induzierter Transparenz und Rydberg-Blockade in einem atomaren Gas filtert aus einem Lichtstrahl (links) einzelne Photonen heraus (rechts; Bild: NPG)

Durch das Zusammenspiel von Rydberg-Blockade und elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT) haben Forscher um Mikhail Lukin in Harvard mit einem Photon die Ausbreitung eines zweiten Photons in einer kalten Atomwolke beeinflusst. Ein Teststrahl aus abgestimmtem Laserlicht konnte die Wolke zunächst nicht durchdringen, da er die Atome in der Wolke anregte. Hatte jedoch ein Kontrollstrahl die angeregten Atome in einen Rydberg-Zustand gebracht, so wurde die Wolke für den Teststrahl transparent, und ein Testphoton konnte sie durchqueren. Folgte diesem Photon in geringem Abstand ein zweites, so schlug die Rydberg-Blockade zu: Für das zweite Photon war kein Rydberg-Atom vorhanden, sodass die EIT zusammenbrach und das Photon absorbiert wurde. Da die Testphotonen die Atomwolke also nur einzeln und in ausreichendem Abstand durchqueren konnten, zeigten sie Anti-Bunching.

Ultrakalte Atomgase

Mit ultrakalten Gasen aus bosonischen oder fermionischen Atomen, die in Lichtgittern oder magnetooptischen Fallen sitzen, kann man das komplizierte Verhalten von quantenmechanischen Vielteilchensystemen unter nahezu idealen Bedingungen untersuchen. Davon erhofft man sich ein besseres Verständnis der Vorgänge, die etwa in Hochtemperatursupraleitern oder bei Quantenphasenübergängen ablaufen. So haben Martin Zwierlein und seine Kollegen vom MIT an einem Kondensat aus ultrakalten fermionischen Natriumatomen, die über große Entfernungen miteinander wechselwirkten, den Übergang in eine suprafluide Phase untersucht. Wegen der großen Reichweite der Kräfte hing der Phasenübergang nicht von atomaren Details ab sondern war universell: Wurden thermodynamischen Größen, die die Forscher an unterschiedlich großen und dichten Kondensaten gemessen hatten, skaliert gegen die Temperatur aufgetragen, so fielen sie jeweils auf eine universelle Kurve.

Wie eine Supraflüssigkeit durch einen sehr engen Kanal strömt, haben Tilman Esslinger und seine Mitarbeiter von der ETH Zürich an ultrakalten fermionischen Lithiumatomen studiert. Die Atome waren in einer länglichen magnetooptischen Falle gefangen, die in der Mitte von einem Laserstrahl eingeschnürt wurde. Dadurch entstanden zwei mit Atomen gefüllte Reservoirs, die ein schmaler Kanal miteinander verband. Enthielten die Reservoirs unterschiedlich viele Atome, so floss ein kohärenter Strom von Atomen durch den Kanal, bis die Reservoirs gleich gefüllt waren. Mit einem Mikroskop konnten die Forscher beobachten, dass im Kanal zunächst eine konstante atomare Dichteverteilung vorlag. Erzeugten sie aber mit Laserspeckle ein Zufallspotential im Kanal, so bewegten sich die Atome diffusiv und ihre Dichte nahm längs des Kanals stetig ab. Dadurch haben Esslinger und seine Mitarbeiter ganz neue Einblicke in den Transport in mesoskopischen Systemen gewonnen. So kann man mit fermionischen Atomen das Verhalten von Elektronen in neuartigen elektronischen Bauelementen simulieren.

Quantentechno

Auf dem Gebiet der Quantentechnologie haben die Atomphysiker und Quantenoptiker im vergangen Jahr zahlreiche Fortschritte erzielt. So haben Forscher um Rainer Blatt von der Universität Innsbruck eine effiziente Schnittstelle für Quantennetzwerke konstruiert. Mit ihr kann ein einzelnes Kalziumion, das von einer Ionenfalle in einem optischen Resonator gehalten wird, mit einem einzelnen Photon kontrolliert in einen quantenmechanisch verschränkten Zustand gebracht werden. Während das Ion ein Qubit speichen kann, bringt das Photon ein Qubit zu einem anderen Atom.

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Abb.: Einzelne Atome bilden die Knoten eines elementaren Quantennetzwerkes, in dem Quanteninformation über den kontrollierten Austausch einzelner Photonen übertragen werden kann. (Bilder: A. Neuzner, MPQ)

Den Prototypen eines Quantennetzwerkes, in dem ein Photon Quanteninformation zwischen zwei elektrisch neutralen Atomen überträgt, haben Gerhard Rempe und seine Mitarbeiter vom Garchinger MPI gebaut. Dazu wurden die Atome mit Licht in optischen Resonatoren festgehalten. Das im Quantenzustand eines Atoms gespeicherte Qubit wurde auf die Polarisation eines abgestrahlten Photons übertragen. Wurde das Photon schließlich von einem anderen Atom absorbiert, so übergab es ihm das Qubit.

Will man Quanteninformationen verarbeiten, so muss man zwei Atome, auf denen Qubits sitzen, zusammenbringen und miteinander wechselwirken lassen. Dazu müssen die Atome schnell über relativ große Entfernungen bewegt werden. Hier haben Forscher um Ferdinand Schmidt-Kaler an der Universität Mainz sowie Ryan Bowler und seine Kollegen vom NIST in Boulder Fortschritte gemeldet. Beide Gruppen konnten einzelne Ionen in einer linearen Paul-Falle innerhalb von einigen Mikrosekunden über mehrere Zehntelmillimeter bewegen. Dabei blieb die in den Ionen gespeicherte Quanteninformation erhalten.

Den Prototypen eines Quantencomputers, der seine Berechnungen „blind“ durchführt, haben Stefanie Barz und ihre Kollegen von der Universität Wien vorgestellt. Er verarbeitet photonische Qubits, die nach einem bestimmten Schema verschränkt sind, indem er an ihnen vorgegebene Messungen macht. Da die Art der Verschränkung nur dem Auftraggeber der Berechnung bekannt ist, nicht aber dem Computer, führt dieser die Messoperationen durch, ohne ihren Sinn zu kennen.

Auch bei der Quantenteleportation, der Übertragung eines Quantenzustandes von einem Objekt auf ein anderes, gab es bemerkenswerte Fortschritte. Im August berichteten Forscher um Jian-Wei Pan von der Universität Shanghai, dass ihnen Anfang des Jahres mit verschränkten Photonen eine Quantenteleportation über eine Distanz von 97 km geglückt war. Doch schon im Mai wurde dieser Rekord gebrochen, als Anton Zeilinger und seinen Kollegen von der Universität Wien eine Quantenteleportation mit polarisationsverschränkten Photonen zwischen La Palma und Teneriffa über 143 km gelang. Damit ist es im Prinzip möglich, einen Quantenzustand von der Erde zu einem Satelliten zu teleportieren, der ihn solange speichert, bis er ihn an einem anderen Ort wieder zur Erde teleportieren kann.

Verschränkt

Quantenmechanisch verschränkte Teilchen, die ihr Verhalten enger abstimmen können als es nach den Gesetzen der klassischen Physik möglich ist, sind von einer Kuriosität zu einem vielseitig nutzbaren „Rohstoff“ geworden. Dabei ist es möglich, unterschiedliche Partikel in verschiedenen Zuständen zu verschränken. So haben Forscher um Robert Fickler und Anton Zeilinger „verdrehte“ Photonen mit Bahndrehimpulsquantenzahlen -10 und +10 paarweise verschränkt. Eine Verschränkung kontinuierlicher Beobachtungsgrößen von drei infraroten Photonen ist erstmals Thomas Jennewein und seinen Kollegen von der University of Waterloo in Kanada gelungen. Bei den Photonentripeln, die in zwei Schritten durch optisch nichtlineare Prozesse aus einem Photon entstanden, waren die Energien und die Entstehungszeiten verschränkt. Die verschränkten Photonen könnte man durch Glasfasern zu weit voneinander entfernten Orten transportieren.

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Abb.: Vier Lichtteilchen lassen sich so manipulieren, dass man im Nachhinein entscheiden kann, in welchem Quantenzustand zwei von ihnen gewesen sind. (Bild: J. Heras, Equinox Graphics Ltd.)

Ob zwei Photonen, an denen „Alice“ und „Bob“ Messungen durchgeführt haben, verschränkt waren oder nicht, kann sich unter Umständen erst in der Zukunft entscheiden, wie ein Experiment der Zeilinger-Gruppe gezeigt hat. Dazu wurden Paare von polarisationsverschränkten Photonenpaaren hergestellt. Je ein Photon eines jeden verschränkten Paares bekam „Victor“, die beiden anderen Photonen wurden auf Alice und Bob aufgeteilt. Alice und Bob führten an ihren Photonen Polarisationsmessungen durch, um herauszufinden ob sie verschränkt waren. Anschließend führte Victor an seinen Photonen eine von zwei möglichen Messungen durch, bei der sie verschränkt wurden bzw. unverschränkt blieben. Dies hatte zur Folge, dass auch die Photonen von Alice und Bob verschränkt bzw. nicht verschränkt gewesen sein mussten. Obwohl die Situation paradox erscheint, waren die Ergebnisse des Experiments in Einklang mit der Quantentheorie.

Teilchen oder Welle

Bei mehreren Experimenten zeigte sich auf spektakuläre Weise die Wellen- bzw. Teilchennatur der Materie. So ließen Forscher um Markus Arndt von der Universität Wien Farbstoffmoleküle, die aus 114 Atomen bestanden, einzeln durch ein feines Gitter fliegen und sich auf einem Schirm niederschlagen. Dank ihrer Fluoreszenz konnten die einzelnen Moleküle sichtbar gemacht werden. Auf diese Weise sah man in Echtzeit, wie sich die Moleküle nach und nach in einem Streifenmuster anordneten, das durch die Interferenz der am Gitter gebeugten Materiewellen der Moleküle hervorgerufen wurde.

Ob ein Photon seine Wellen- oder Teilchennatur zeigt, hängt von dem an ihm durchführten Experiment ab. Es kann sogar ein fließender Übergang zwischen Welle und Teilchen auftreten, wie zwei Forschergruppen an der University of Bristol und an der Universität von Nizza gezeigt haben. Dazu wurden Photonen einzeln durch ein Mach-Zehnder-Interferometer geschickt, in dem sie ein Strahlteiler in zwei Teilwellen zerlegte, die von einem zweiten Strahlteiler zur Interferenz gebracht wurden. In diesem Falle verhielt sich jedes Photon wie eine Welle. Wurde jedoch der zweite Strahlteiler aus dem Interferometer entfernt, so ließ sich eindeutig feststellen, welchen Weg das Photon durch das Interferometer genommen hatte. Es verhielt sich dann wie ein Teilchen. Brachten die Forscher den zweiten Strahlteiler in eine quantenmechanische Überlagerung von „ein“ und „aus“, so verhielt sich das Photon wie eine Mischung aus Welle und Teilchen. Die Entscheidung, ob sich das Photon als Welle, Teilchen oder Mischung verhielt, konnten die Forscher so lange hinauszögern, bis das Photon den ersten Strahlteiler schon passiert hatte.

Unschärfe präzisiert

Mehrere Forschergruppen haben im vergangenen Jahr Heisenbergs Unschärfebeziehung unter die Lupe genommen. Sie besagt, dass man komplementäre Größen wie den Ort und den Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig mit beliebiger Genauigkeit messen kann. Das gilt auch für andere nichtvertauschende Größen wie die Drehimpulskomponenten eines Teilchens. Oft interpretiert man die Unschärfebeziehung so, dass bei der Messung des Teilchenortes der Teilchenimpuls unkontrolliert gestört wird und umgekehrt. Doch der japanische Theoretiker Masanao Ozawa stellt 2003 eine Theorie auf, die zwischen der prinzipiellen Unbestimmtheit eines Quantenzustands und der durch die Messung verursachten Unschärfe unterscheidet. Dies fasste er in einer Unschärferelation zusammen, die nicht mit Heisenbergs Unschärfebeziehung übereinstimmt. Forscher um Stephan Sponar von der TU Wien haben in Zusammenarbeit mit Ozawa dessen Relation durch Messungen an Neutronenspins bestätigt. Kurz darauf fanden Aephraim Steinberg und seine Mitarbeiter von der University of Toronto die Ozawa-Relation bei Polarisationsmessungen an Photonen erfüllt. Somit gilt Heisenbergs Unschärfebeziehung zwar für die Orts- und Impulsunschärfe, nicht aber für die Ortsunschärfe und die durch die Ortsmessung hervorgerufene Störung des Impulses.

Antiwasserstoff

Das vergangene Jahr hat die ersten spektralen Messungen von Antiwasserstoffatomen gebracht. Das Alpha-Experiment am Cern hat durch Paarerzeugung Antiprotonen hergestellt, sie gekühlt und aus ihnen durch Kombination mit Positronen etwa 6000 Antiwasserstoffatome produziert. Die Atome wurden etwa 1000 s lang in einer Falle festgehalten und untersucht. Die Forscher maßen die Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustands des Antiwasserstoffatoms und fanden im Rahmen der – allerdings noch geringen Messgenauigkeit – gute Übereinstimmung mit den viel präziseren Messergebnissen für das Wasserstoffatom. Inzwischen laufen die Vorbereitungen für das Alpha-2-Experiment, bei dem das Antiwasserstoffspektrum wesentlich genauer vermessen werden soll. Es sollte aufgrund des CPT-Theorems mit dem Wasserstoffspektrum übereinstimmen. Etwaige Unterschiede wären eine wissenschaftliche Sensation.

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Abb.: Im Herzstück des Alpha-Experiments hält eine Penning-Falle (gelb) die Atome fest, während Mikrowellen sie anregen. Die bei Resonanz entweichenden Atome weist ein Annihilationsdetektor (violett) nach. (Bild: Alpha Coll. / Nature)



Atomuhren

Fortschritte gab es bei den Bemühungen um noch genauere Atomuhren, in denen die Atome mit sichtbarem Licht statt wie bisher mit Mikrowellen angeregt werden. Forscher der PTB in Braunschweig haben ein einzelnes Ytterbiumion in einer Falle gefangen und einen seiner optischen Übergänge, der quantenmechanisch verboten ist, angeregt und gemessen. Da der angeregte Zustand des Ions eine Lebensdauer von etwa sechs Jahren hatte, war die Anregungsfrequenz extrem scharf umrissen. Die Forscher bestimmten diese Frequenz u. a. durch „Hyper-Ramsey-Anregung“. Dazu wird das Atom kurz hintereinander von drei gleichen, intensiven Laserpulsen getroffen, wobei die Phase des mittleren Pulses umgedreht ist. Dadurch wird gewährleistet, dass sich die Anregungsfrequenz des Ions nicht aufgrund der hohen Lichtintensität verschiebt. Wie die Messungen ergaben, hat diese Frequenz eine relative Unsicherheit von 7×10-17. Eine darauf aufbauende Atomuhr wäre seit dem Urknall höchsten 30 Sekunden von der richtigen Zeit abgewichen. Zudem erwies sich die Anregungsfrequenz des Ions als relativ unempfindlich gegen elektrische Felder oder Wärmestrahlung. Das sind gute Voraussetzungen dafür, die Ytterbiumfrequenz durch Hyper-Ramsey-Anregung für eine neue Atomuhr zu nutzen.

Rainer Scharf

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