Caesium Einzelne Caesium-Atome machen Quantensprünge sichtbar

Ein einzelnes Caesium-Atom und die besten Spiegel, die derzeit zur Verfügung stehen, nutzten Physiker der Universität Bonn, um Quantensprünge sichtbar zu machen. Das Caesium-Atom diente bei den Experimenten als Lichtschalter.

Anbieter zum Thema

Fritsch GmbH - Mahlen und Messen

Xylem Analytics Germany Sales GmbH & Co. KG

PCE Deutschland GmbH

Rheinische Friedrich- Wilhelms-Universität Bonn Medizin.Fakultät

Bonn – Zwischen zwei Spiegeln scheint sich das eigene Bild immer kleiner werdend endlos zu wiederholen. In Wirklichkeit wird das Bild jedoch nach mehreren Reflektionen zu schwach, als dass sich noch viel erkennen lassen könnte. Die Spiegel reflektieren nur einen Teil des Lichts, den Rest verschlucken sie.

Die Spiegel, die die Forscher am Institut für Angewandte Physik um Prof. Dr. Dieter Meschede eingesetzt haben, unterliegen dem gleichen Prinzip, sind jedoch sehr viel empfindlicher und können ein Bild rund 300 000 Mal reflektieren, bevor es sich verliert. „Es gibt momentan keine Spiegelschicht, die im optischen Bereich noch besser reflektieren würde“, sagt der Bonner Physiker Dr. Wolfgang Alt. Die Qualität der Spiegel ist ausreichend, um Licht zwischen ihnen einzusperren. Das eingesperrte Licht kann eingesetzt werden, um mit einer kleinen Lichtmenge Messungen durchzuführen, für die sonst sehr viel Licht benötigt würde. Gleichzeitig verringert sich die Gefahr, dass das Licht die Messung stört.

Caesium als Lichtschalter

Den Versuchsaufbau haben die Bonner Forscher eingesetzt, um Quantensprünge sichtbar zu machen. „Wir haben dazu zwischen zwei Mini-Spiegel ein Caesium-Atom gesperrt und dann einen Laserstrahl eingekoppelt“, erklärt Alt. „Das Caesium konnte dabei in zwei verschiedenen Zuständen vorliegen: Im Zustand 0 verhinderte es, dass sich der Bereich zwischen den Spiegeln mit Licht füllte. Im Zustand 1 störte es den Laserstrahl dagegen nicht.“ Das Licht signalisiert den Zustand des Atoms.

Atome sind Quantenteilchen, die in einer Überlagerung verschiedener Zustände existieren können. Physiker sprechen auch von einer Superposition. Das Caesium war gleichzeitig ein wenig im Zustand 0 und ein bisschen im Zustand 1. Wenn man den Zustand eines solchen Atoms misst, wird die Superposition zerstört. Das ist ein physikalisches Naturgesetz und gilt selbst für die perfekte Messung. Caesium sollte sich zwischen den Spiegeln entweder für den Zustand 0 entscheiden und das Licht im Spiegelkabinett ausknipsen oder den Zustand 1 annehmen und den Laserstrahl nicht stören. „Das ist genau das, was wir auch sehen“, sagt Alts Kollege Dr. Artur Widera. „Das Licht in unserer Apparatur ist immer entweder ganz an oder ganz aus.“

Leicht manipulierbare Caesium-Atome

Caesium-Atome lassen sich durch Licht leicht von einem Zustand in den anderen transferieren. Physiker sprechen von Quantensprüngen. Die Sprünge sorgen dafür, dass das Licht zwischen den Spiegeln flackert. Normalerweise flackert das Licht so schnell, dass es nicht sichtbar ist. „Wir benötigten aber aufgrund unserer Spiegel-Konstruktion nur sehr schwache Lichtintensitäten“, sagt Alt. „Entsprechend gering ist der Störeinfluss, den unsere Messung auf den Zustand des Caesiums ausübte. Die Quantensprünge erfolgten daher relativ selten - so selten, dass wir live beobachten konnten, dass das Licht zwischen den Spiegeln an- und ausgeschaltet wurde.“

(ID:319888)