Einzelne Messung genügt Atome verraten ihre 3D-Position im Quantengas-Mikroskop

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Atome mit dem Mikroskop abzubilden, ist aufwändig. Nicht nur müssen sie extrem abgekühlt werden, es braucht auch zur Bestimmung der z-Koordinate eine Reihe von Aufnahmen mit verschiedenen Fokusebenen. Nun haben Forscher ein neues Verfahren entwickelt, mit dem schon eine einzige Aufnahme die Position der Atome im Raum präzise bestimmen kann.

Wer schon einmal eine Pflanzenzelle mikroskopiert hat, kennt das: Dass sich der Chloroplast rechts oberhalb des Zellkerns befindet, ist einfach zu erkennen. Doch liegen die beiden in derselben Ebene? Man dreht dann vielleicht etwas am Fokus-Rad und merkt: Wenn der Kern schärfer wird, wird der Chloroplast unschärfer. Der eine muss also etwas höher liegen und der andere etwas tiefer. Genauer lässt sich das mit dieser Methode jedoch nicht bestimmen.

Werden statt Zellen einzelne Atome beobachtet, ist das im Prinzip ähnlich. Hierbei kommen so genannte Quantengas-Mikroskope zum Einsatz. Mit ihnen lassen sich die x- und y-Koordinate eines Atoms bestimmen, wobei die z-Koordinate, also der Abstand zur Objektivlinse, viel schwieriger zu messen ist: Um herauszufinden, in welcher Ebene sich das Atom befindet, müsste man mehrere Bilder aufnehmen, bei denen der Fokus auf verschiedene Ebenen verschoben ist. Dieser Prozess ist komplex und zeitaufwändig.

Rasterkraftmikroskopie mit Quantentechnik

Mikroskop manipuliert Quantenzustand in Atomen

Atom-Hantel zeigen Position an

Einen schnelleren Weg zur Bestimmung der z-Koordinate in Atomaufnahmen haben Forscher der Universität Bonn und der englischen University of Bristol in einer Studie vorgestellt. „Wir haben eine Methode entwickelt, mit der das in einem Schritt geht“, sagt Tangi Legrand vom Institut für Angewandte Physik (IAP) der Universität Bonn. „Wir nutzen dazu einen Effekt, der in der Theorie bereits seit den 1990er Jahren bekannt ist, aber noch nie in einem Quantengas-Mikroskop eingesetzt wurde.“

Um mit Atomen zu experimentieren, müssen sie zunächst stark abgekühlt werden, sodass sie sich kaum noch bewegen. In dieser Form lassen sie sich beispielsweise mit einer stehenden Welle aus Laserlicht einfangen: Sie rutschen sozusagen in die Wellentäler, ähnlich wie Eier in die Vertiefungen eines Eierkartons. Um sie dort sichtbar zu machen, beleuchtet man sie mit einem zusätzlichen Laserstrahl, welcher die Atome anregt, selbst Licht zu emittieren. Diese Fluoreszenzstrahlung wird im Quantengas-Mikroskop als leicht verschwommener, runder Fleck sichtbar.

„Wir haben nun ein spezielles optisches Bauteil verwendet, um die vom Atom ausgehende Lichtwellenfront zu verformen“, erklärt Dr. Andrea Alberti. Der Forscher, der inzwischen vom IAP an das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching gewechselt ist, war ebenfalls an der Studie beteiligt. „Die so verformte Wellenfront erzeugt am Ort der Kamera statt des typischen runden Flecks eine um sich selbst rotierende Hantel. Die Richtung, in die diese Hantel weist, hängt von der Strecke ab, die das Licht vom Atom zur Kamera zurücklegen musste.“ Die Hantel fungiert somit als eine Art Kompassnadel, die es den Forschern erlaubt, die z-Koordinate des Atoms zu bestimmen.

Wichtig für quantenmechanische Experimente

Bei der neuen Methode genügt eine einzige Aufnahme, um den Aufenthaltsort eines Atoms in drei Dimensionen präzise zu messen. Das ist unter anderem wichtig, um quantenmechanische Experimente mit Atomen durchzuführen. Denn dabei kommt es oft darauf an, ihre Position exakt zu kontrollieren oder sogar zu verfolgen, um sie in gewünschter Weise miteinander interagieren zu lassen.

Zudem kann das Verfahren auch bei der Entwicklung neuer Quanten-Materialien mit besonderen Eigenschaften helfen. „Wir können zum Beispiel untersuchen, welche quantenmechanischen Effekte bei einer bestimmten Anordnung der Atome auftreten könnten“, erklärt Dr. Carrie Weidner von der Universität Bristol. „Wir können so gewissermaßen die Eigenschaften dreidimensionaler Materialien simulieren, ohne sie synthetisieren zu müssen.“

Originalpublikation:Tangi Legrand, Falk-Richard Winkelmann, Wolfgang Alt, Dieter Meschede, Andrea Alberti und Carrie A. Weidner: Three-dimensional imaging of single atoms in an optical lattice via helical point-spread-function engineering, Phys Rev A, Vol. 109, Iss. 3 — March 2024; DOI: 10.1103/PhysRevA.109.033304;

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