19.11.2019 • Quantenoptik / Photonik

Mechanischen Vibrationen befreien gefangene Atome

Wichtiger Schritt zur Nutzung nanooptischer Fallen gelungen.

Nanooptische Fallen sind ein vielversprechender Baustein für Quantentechnologien. Forscher aus Österreich und Deutschland haben jetzt ein wichtiges Hindernis für deren praktischen Einsatz aus dem Weg geräumt. Sie konnten zeigen, dass eine besondere Form von mechanischen Vibrationen gefangene Teilchen in kürzester Zeit aufheizt und aus der Falle stößt.

Abb.: Entlang einer sehr dünnen Glasfaser lassen sich mit Laserlicht einzelne... — Abb.: Entlang einer sehr dünnen Glasfaser lassen sich mit Laserlicht einzelne Atome fangen. (Bild: M. L. Juan, IQUQI)

Mit der Kontrolle einzelner Atome können Quanteneigenschaften erforscht und für technologische Anwendungen nutzbar gemacht werden. Seit etwa zehn Jahren arbeiten Wissenschaftler an nanooptische Fallen, mit der Atome eingefangen und kontrolliert werden können. Das von optischen Pinzetten bekannte Prinzip, mit Licht mikroskopische Objekte einzufangen, wird dafür auf Lichtwellenleiter, hier eine spezielle Glasfaser, angewendet. Die Glasfaser darf dafür nur wenige Hundert Nanometer dünn sein. In die Glasfaser wird Laserlicht unterschiedlicher Frequenz geschickt, wodurch rund um den Wellenleiter ein Lichtfeld entsteht, das einzelne Atome festhalten kann.

Bisher war die Anwendbarkeit dieser Methode allerdings dadurch eingeschränkt, dass die Atome sich nach sehr kurzer Zeit stark erhitzt haben und verloren gegangen sind. Die Aufheizrate war um drei Größenordnungen stärker als bei optischen Pinzetten, bei welchen das Lichtfeld im freien Raum erzeugt wird. Trotz intensiver Suche konnte die Ursache dafür bisher nicht ermittelt werden. Jetzt haben Daniel Hümmer und Oriol Romero-Isart vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Uni Innsbruck in Zusammenarbeit mit Philipp Schneeweiss und Arno Rauschenbeutel von der HU Berlin das System grundlegend analysiert. Mit ihrem theoretischen Modell konnten sie zeigen, dass eine bestimmte Form von mechanischen Vibrationen der Glasfaser für die starke Erhitzung der Teilchen verantwortlich ist.

„Es handelt sich hier um Schwingungen, wie sie entstehen, wenn man in ein Seil Wellen schlägt“, erklärt Hümmer. „Diese Vibrationen heizen die Teilchen, die nur etwa zweihundert Nanometer über der Oberfläche des Wellenleiters schweben, sehr rasch auf.“ Die theoretisch ermittelte Aufheizrate stimmt sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Diese Erkenntnis hat wichtige Konsequenzen für Anwendungen: Einerseits kann die Methode mit einfachen Gegenmaßnahmen deutlich verbessert werden. Längere Kohärenzzeiten erlauben dann komplexere Experimente und Anwendungen. Andererseits vermuten die Forscher, dass ihre Erkenntnis auch für viele ähnliche nanophotonische Fallen hilfreich sein könnte.

Das von ihnen veröffentliche theoretische Modell liefert wesentliche Richtlinien für das Design solcher Atomfallen. „Bei der Herstellung dieser Fallen darf nicht nur auf die optischen Eigenschaften geachtet werden, auch die mechanischen Eigenschaften müssen berücksichtigt werden“, betont Romero-Isart. „Unsere Berechnungen geben hier wichtige Hinweise, welche mechanischen Effekte am relevantesten sind.“ Da bei nanooptischen Fallen die Stärke der Wechselwirkung zwischen einzelnen Atomen und Photonen besonders hoch ist – ein Problem, mit dem viele andere Konzepte kämpfen –, öffnet diese Technologie das Tor in einen neuen Bereich der Physik. In den vergangenen Jahren wurden bereits viele theoretische Überlegungen dazu angestellt. Das Team nun ein großes Hindernis auf dem Weg dorthin beiseite geräumt.

IQOQI / RK