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Lasertechnik für Quanten-Experimente Laser im Vakuum – Unsichtbares präzise ausrichten

Autor / Redakteur: Svenja Ronge* / Christian Lüttmann

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen im Rang eines Fußballstadions und sollen mit dem Laserpointer einen Grashalm auf dem Platz anvisieren – und das mit verbundenen Augen. Ähnlich kompliziert ist es, Laserstrahlen im Vakuum präzise auszurichten. Denn dort sind sie mangels reflektierender Teilchen in ihrer Bahn unsichtbar. Physiker der Uni Bonn haben nun einen Ausweg aus diesem Dilemma gefunden.

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Studienleiter Dr. Andrea Alberti vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn hat einen Weg gefunden, Laserstrahlen im Vakuum sichtbar zu machen.
Studienleiter Dr. Andrea Alberti vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn hat einen Weg gefunden, Laserstrahlen im Vakuum sichtbar zu machen.
(Bild: Volker Lannert / Universität Bonn)

Bonn – Einen Lichtstrahl kann man nur sehen, wenn er auf Materie trifft und von den Teilchen gestreut oder reflektiert wird. Im Vakuum breitet sich Licht hingegen ungehindert aus und bleibt einem Beobachter oder auch einem optischen Detektor verborgen. Physiker der Universität Bonn haben nun in einer aktuellen Studie 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.

Förderbänder aus Licht

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, die herkömmliche Rechner in Sachen Leistung bei weitem übertreffen werden. 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“, erklärt Dr. Andrea Alberti, der die Studie am Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn geleitet hat.

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“, erläutert Gautam Ramola, der Erstautor der Studie.

Diese Aufgabe ist äußerst schwer zu lösen. 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 – und das mit verbundenen Augen.

Dr. Andrea Alberti, Funktion, Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn

Warum das Ausrichten quasi blind erfolgen muss, liegt an dem benötigten Vakuum für Quantenexperimente im Labor. Dadurch gibt es keine Möglichkeit, den tatsächlichen Verlauf des Laserstrahls zu überprüfen. Denn im Vakuum trifft der Lichtstrahl auf keine Teilchen, an denen er gestreut würde.

Atome in Sensoren verwandeln

Die Bonner Forscher nutzten daher die transportierten 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.“

Abbildung der experimentellen Apparatur mit der Vakuumzelle in der Mitte und dem darin eingebetteten Objektiv. Zwei der vier Laserstrahlen sind gezeichnet (nicht maßstabsgetreu). Inset: Fluoreszenzbild zweier einzelner Atome.
Abbildung der experimentellen Apparatur mit der Vakuumzelle in der Mitte und dem darin eingebetteten Objektiv. Zwei der vier Laserstrahlen sind gezeichnet (nicht maßstabsgetreu). Inset: Fluoreszenzbild zweier einzelner Atome.
(Bild: Stefan Brakhane / Universität Bonn)

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.“

Originalpublikation: Gautam Ramola, Richard Winkelmann, Karthik Chandrashekara, Wolfgang Alt, Peng Xu, Dieter Meschede und Andrea Alberti: Ramsey imaging of optical traps; Physical Review Applied; DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.024041

* S. Ronge, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, 53113 Bonn

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