Messen mit Atom-Wölkchen

Max-Plank-Forscher konstruieren ein Atom-Interferometer auf einem Mikrochip

30.09.2009 - Deutschland

Etwas Gutes noch besser zu machen - das ist den Wissenschaftlern um Philipp Treutlein und Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und der LMU München gelungen. Sie haben Atome auf einem speziellen Mikrochip, einem so genannten Atomchip, mit Mikrowellenfeldern manipuliert und so ein Atom-Interferometer konstruiert, das die Vorteile beider Techniken vereint: Ein Atom-Interferometer ist ein höchstempfindliches Messgerät, das die quantenmechanischen Welleneigenschaften der Atome ausnutzt. Damit können Rotationsbewegungen festgestellt werden, oder es kann das Gravitationsfeld der Erde äußerste präzise vermessen werden. Atomchips wiederum sind robust, kompakt und vielseitig einsetzbar. Darüber hinaus eignen sie sich für quantenmechanische Grundlagenexperimente.

Auf einem Atomchip machen die Atome so manches mit: Sie werden von den Magnetfeldern einer "Atom-Falle" eingefangen und auf einem eng begrenzten Raum gehalten. Sie schweben einige zehn Mikrometer über dem Chip-Substrat und werden mit Hilfe von Laser- und Verdampfungskühlung bis auf wenige Millionstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt. Dabei gehen die Atome in ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat über. Das ist eine spezielle Daseinsform der Materie, in der alle Atome ein- und denselben wohldefinierten Quantenzustand einnehmen.

Das Bose-Einstein-Kondensat kann dann mit Hilfe des Chips gezielt manipuliert werden. Das erlaubt nicht nur Experimente, mit deren Hilfe fundamentale Phänomene der Quantenphysik untersucht werden können, sondern es ermöglicht auch Anwendungen wie beispielsweise eine tragbare chipbasierte Atomuhr. Ein anderer Einsatzbereich für Atomchips sind Atom-Interferometer, also Messgeräte, die die Welleneigenschaften von Atomen ausnutzen. Mit einem Atom-Interferometer lassen sich zum Beispiel Rotationsbewegungen feststellen, oder aber es wird das Gravitationsfeld der Erde mit sehr hoher Genauigkeit vermessen, und ein solches höchst empfindliches Messgerät ist auf einem Atomchip noch viel wertvoller: Atomchips sind leicht, kompakt, robust und lassen sich damit möglicherweise eines Tages auch im Weltall oder in der Tiefsee verwenden.

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Ein Atom-Interferometer auf einem Chip zu integrieren, hat sich jedoch bislang als ausgesprochen knifflig erwiesen. Bisherige Ansätze waren kompliziert oder nur ungenau auszulesen und somit weniger praktikabel für Präzisionsmessungen. Die Wissenschaftler um Philipp Treutlein und Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben jetzt ein Atom-Interferometer auf einem Atomchip realisiert, das diese Nachteile nicht mehr aufweist. Der Trick, den sie dabei anwenden, heißt "zustandselektive Potentiale".

Elektromagnetische Wellen bringen Atome in robusten Zustand

Mit Hilfe eines ersten Pulses aus Mikro- und Radiowellen versetzen sie die Rubidium-Atome eines Bose-Einstein-Kondensats in eine Art Mischzustand, d.h. eine quantenmechanische Überlagerung ("Superposition") aus zwei verschiedenen Zuständen. Beide sind natürliche Zustände des Elements Rubidium 87, die aber eine besondere Eigenschaft aufweisen. Der Energieunterschied zwischen ihnen ist unempfindlich gegenüber Schwankungen des äußeren Magnetfeldes - dieses wird beispielsweise durch vorbeifahrende U-Bahnen und den Betrieb elektrischer Geräte beeinflusst. Ein solches robustes Zustandspaar (sog. clock states) kann deshalb auch für Atomuhren verwendet werden.

Anfänglich befinden sich die beiden Zustände und somit auch ihre Superposition am gleichen Ort. Mit Hilfe der zustandsselektiven Potentiale werden nun die beiden Zustände voneinander räumlich getrennt: Dazu schalten die Forscher ein Mikrowellenpotential ein, das nur den einen der beiden Zustände beeinflusst. Würde man jetzt ein Bild aufnehmen, so sähe man zwei klar voneinander getrennte Atomwolken. Fährt man dann, ohne dass ein Bild aufgenommen wird, das Mikrowellenpotential herunter und strahlt einen zweiten Puls aus Mikro- und Radiowellen, so werden die beiden Atomwolken wieder vereinigt, und man beobachtet ein charakteristisches Interferenzmuster. Dieses Interferenzmuster wird davon beeinflusst, ob im aufgespaltenen Zustand Kräfte auf die Atomwolke einwirken - zum Beispiel die oben erwähnten Rotations- oder Gravitationskräfte, die dadurch gemessen werden können. Indem die Wissenschafter die Zeit zwischen den beiden Pulsen variierten, haben sie zudem nachgewiesen, dass sich die beiden Zustände, während sie voneinander getrennt sind, deterministisch entwickeln - das heißt, dass der Aufspaltvorgang kohärent ist. Das muss er sein, damit die Messungen mit dem hier beschriebenen Interferometer überhaupt aussagekräftig sind.

Ein Vorteil dieses Interferometers ist, dass das Interferenzmuster nicht räumlich aufgelöst werden muss. Es geht also nicht darum, wie in einem klassischen Interferometer helle und dunkle Interferenzstreifen zu beobachten und auszumessen. Stattdessen genügt es, die Anzahl der Atome in den beiden Zuständen zu bestimmen, was vergleichsweise einfach und mit hoher Genauigkeit möglich ist.

Weniger Quantenrauschen

In dem vorliegenden Experiment haben die Wissenschaftler um Theodor Hänsch und Philipp Treutlein zudem erste Anzeichen für die Erzeugung "gequetschter" Quantenzustände (sog. squeezed states) beobachtet. Durch die Verwendung solcher Zustände lässt sich das sogenannte Quantenrauschen beim Auslesen des Interferometers reduzieren. Gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation muss dafür zwar in Kauf genommen werden, dass sich die Unsicherheit der komplementären Größe erhöht, die aber das Interferometersignal nur wenig beeinflusst. Auf diese Art können Physiker eine bislang ungekannte Präzision erreichen, beispielsweise bei der interferometrischen Messung sehr schwacher Kräfte und beim Auslesen von Atomuhren.

Originalveröffentlichung: Pascal Böhi et al.; "Coherent manipulation of Bose-Einstein condensates with state-dependent microwave potentials on an atom chip"; Nature Physics 2009, 5: S. 592-597

https://www.analytica-world.com/de/news/107053/messen-mit-atom-woelkchen.html