Laser-Werkzeug für Quantenexperimente

  • 11. February 2013

Ein Materiewelleninterferometer aus Licht kann universell für eine breite Klasse von Teilchen verwendet werden.

Die Lichtgitter, mit denen die Materie manipuliert wird, bestehen aus unsichtbaren Laserblitzen und leuchten nur wenige Milliardstel Sekunden lang. Dabei existiert der Apparat der Physiker der Universität Wien rund um Philipp Haslinger und Markus Arndt zu keiner Zeit vollständig.

Abb.: Die drei gepulsten Lasergitter leuchten ultraviolett und nur für wenige Nanosekunden. Sie erzeugen blaue Fluoreszenz in der Kalziumfluorid-Scheibe. Die Belichtungszeit betrug hier mehr als das Tausendfache der Dauer eines einzelnen Experiments. Im Bild fliegen die Cluster von rechts (Quelle) nach links. (Bild: J. Rodewald/U. Wien)

Abb.: Die drei gepulsten Lasergitter leuchten ultraviolett und nur für wenige Nanosekunden. Sie erzeugen blaue Fluoreszenz in der Kalziumfluorid-Scheibe. Die Belichtungszeit betrug hier mehr als das Tausendfache der Dauer eines einzelnen Experiments. Im Bild fliegen die Cluster von rechts (Quelle) nach links. (Bild: J. Rodewald/U. Wien)

Die Materiewelleninterferometrie hat an der Universität Wien eine lange Tradition. Die weltweit ersten Quantenwellen großer Moleküle wurden hier gesehen. Heute sind die Forscher auf der quantenmechanischen Spur immer komplexerer Bausteine der Materie. In einem solchen Experiment soll jedes durchfliegende Molekül Informationen über Orte gewinnen, die nach klassischer Erwartung nicht erreichbar wären.

Im Quantennanophysik-Team wurde nun zum ersten Mal eine neue Art der Manipulation von Materie etabliert: Die Forscher erzeugen Gitter aus Laserblitzen, die nur wenige Nanosekunden lang leuchten. Drei solcher Gitter zusammen bilden ein geschlossenes Interferometer, mit dem die Überlagerung von Quantenzuständen gemessen werden kann, die in unserem Alltag nicht beobachtbar sind.

Durch die präzise Synchronisation der kurzlebigen Gitter können die Forscher viele systematische Fehler früherer Aufbauten radikal ausmerzen. „Die Interferometrie 'in der Zeit' mit gepulsten Lichtgittern wird ein zentrales Element der Quantenphysik mit Nanoteilchen“, so Philipp Haslinger, Erstautor der Studie.

Eine Studentin und vier Studenten haben den Wiener Versuchsaufbau über die letzten Jahre berechnet und aufgebaut. Mit dieser Apparatur wurden nun erstmals die Quanteneigenschaften nicht nur einzelner Moleküle, sondern ganzer Cluster aus mehreren Molekülen gezeigt: Im Laufe des Experiments entsteht aufgrund der Quanteninterferenz für wenige Nanosekunden ein periodisches Molekülmuster. Dieses molekulare „Nano-Lineal“ ist hochempfindlich auf äußere Einflüsse und kann so in zukünftigen Präzisionsmessungen als ein winziger Maßstab zur Vermessung kleiner Kräfte und Felder verwendet werden.

U. Wien / PH

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