Forschung

Sichtbarer Laser im Vakuum

26.08.2021 - Neue Methode erlaubt sehr viel schnelleres Justieren von Laserstrahlen.

Einen Lichtstrahl kann man nur dann sehen, wenn er auf Materie­teilchen trifft und von ihnen gestreut oder reflektiert wird. Im Vakuum ist er dagegen unsichtbar. Physiker der Universität Bonn haben nun eine Methode entwickelt, mit der sich Laser­strahlen auch unter diesen Bedingungen sichtbar machen lassen. Sie vereinfacht die ultra­genaue Justierung der Laser, die für die Mani­pulation einzelner Atome erforderlich ist. 

Lässt man einzelne Atome miteinander interagieren, legen sie oft ein ungewöhnliches Verhalten an den Tag. Diese Effekte lassen sich etwa für die Konstruktion von Quanten­computern nutzen. Für derartige Experimente ist es aber nötig, einzelne Atome genau an die richtige Position zu manövrieren. „Wir nutzen dazu Laser­strahlen, die uns gewisser­maßen als Förder­bänder aus Licht dienen“, sagt Andrea Alberti von der Universität Bonn. Ein solches Förderband enthält zahllose Taschen, von denen jede ein einzelnes Atom aufnehmen kann. Die Taschen lassen sich vor- und zurückfahren. So lässt sich ein Atom gezielt an eine bestimmte Stelle im Raum trans­portieren.

Will man die Atome in verschiedenen Richtungen bewegen, benötigt man dazu in der Regel mehrere Licht-Förderbänder. So lassen sich die Atome zum passenden Ort transportieren, wo sie miteinander inter­agieren können. Damit dieser Vorgang kontrol­liert abläuft, müssen alle Taschen des Förderbandes die gleiche Form und Tiefe haben. „Um diese Homogenität zu gewähr­leisten, müssen sich die Laser mikrometer­genau überlappen“, sagt Gautam Ramola. Diese Aufgabe ist weniger trivial, als sie klingt. Denn zum einen erfordert sie eine große Genauigkeit. „Es ist in etwa so, als müssten Sie von den Rängen eines Fußball­stadions mit einem Laserpointer eine Bohne treffen, die auf dem Anstoßpunkt liegt“, sagt Alberti. „Doch damit nicht genug. Sie müssen das sogar mit verbundenen Augen schaffen.“ Denn Quanten-Experimente finden in nahezu vollkommenem Vakuum statt. Wir können Licht­strahlen aber nur dann sehen, wenn sie an einem Materie­teilchen gestreut oder von ihm reflektiert werden. Im Vakuum sind sie unsichtbar.

Die Bonner Forscher nutzten daher die Atome selbst, um den Verlauf des Lichts zu messen. „Dazu haben wir das Laserlicht zunächst auf charak­teristische Weise verändert – wir sprechen auch von einer ellip­tischen Polarisation“, erklärt Alberti. Sobald die Atome auf den so präparierten Laserstrahl geladen werden, nehmen sie bestimmte Eigen­schaften an, die sich mit hoher Präzision messen lassen. „Jedes Atom wirkt wie ein kleiner Sensor, der die Intensität des Strahls aufzeichnet“, erklärt Alberti. „Indem wir Tausende von Atomen an verschiedenen Stellen untersuchen, können wir die Lage des Strahls auf wenige Tausendstel Millimeter genau bestimmen.“ 

Den Forschern gelang es auf diese Weise beispiels­weise, vier Laser­strahlen so zu justieren, dass sie exakt an der gewünschten Position aufeinander­trafen. „Normalerweise würde eine solche Justierung mehrere Wochen in Anspruch nehmen, und man hätte trotzdem keine Gewähr, dass der optimale Punkt erreicht wurde“, sagt Alberti. „Mit unserem Verfahren benötigten wir dafür nur etwa einen Tag.“

U. Bonn / JOL

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