Atomare Antennen

Einzelne Ionen übertragen elementare Anregungen ihrer Bewegung.

Simultan ist es Forschern an der Universität Innsbruck sowie am National Institute of Standards (NIST) in Boulder gelungen, quantenmechanische harmonische Oszillatoren aus einzelnen Ionen miteinander zu koppeln. Wie von gekoppelten Schwingungen bekannt, erfolgte ein abwechselnder Energietransfer zwischen den beiden Oszillatoren.

In miniaturisierten Ionenfallen hielten die Forschergruppen zwischen Goldelektroden in benachbarten Potentialmulden elektrischer Felder in einem Abstand von 54 μm bzw. 40 μm jeweils ein ⁴⁰Ca⁺- (Innsbruck), bzw. ⁹Be⁺-Ion (NIST) fest. Die Bewegung der Ionen innerhalb der Fallen ist die, wie sie von harmonischen Oszillatoren bekannt ist. Durch Laserkühlung konnten die Forscher dann die Anregung dieser Schwingungsmoden soweit dämpfen, bis sich beide Ionen kaum noch bewegten. In Boulder gelang es, dass sich ein Ion im Grundzustand befand, das andere besaß im einfach angeregten Niveau noch ein wenig mehr Energie. Diese elementare Energiedifferenz – vorgegeben durch die Ionenmasse und die Fallenparameter – stellt das kleinste Energiepaket dar, welches solch ein System besitzen kann, oder mit einem anderen auszutauschen vermag.

Abb.: Eine Falle für Ionen: Über diesem Goldchip fingen die Wissenschaftler in Boulder zwei Ionen im Abstand von 40 μm ein. (Bild: Y. Colombe / NIST)

Eine Wechselwirkungen der Ionen kam durch die Coulombwechselwirkung zustande: Durch die Schwingung des einen Teilchens in der Falle sieht dieses aus wie ein Hertz'scher Dipol, also eine Antenne. Nun kann Energie an die zweite Antenne, das Teilchen im Grundzustand, übertragen werden, so dass dieses selbst anfängt zu schwingen. Dieses elementare Experiment gekoppelter Pendel wurde mit der kleinst möglichen Energie durchgeführt.

Die Forscher beobachteten, wie innerhalb einer bestimmten Zeitspanne (etwa 219 μs) die gesammte Bewegungsenergie von einem an das benachbarte Quantensystem übertragen wurde. Danach geschah auf gleiche Weise die Rückübertragung. Die Ionen waren in ihren Fallen so gut isoliert, dass mehrere vollständige Zyklen beobachtet werden konnten.

Eine Kopplung dieser Art könnte in Experimenten genutzt werden, um schwingende Systeme zu kühlen (also die Schwingung zu dämpfen), da nach einer halben Periode die Bewegungsenergie beim jeweils anderen Teilchen landet. Auch bietet das Verfahren Möglichkeiten im Aufbau von Geräten zur Quanteninformationsverarbeitung und zur Simulationen von Quantenvielteilchensystemen: Auf diese Weise lässt sich Verschränkung herstellen, ein Quantensystem an einen Auslesemechanismus koppeln, oder verschiedene Arten von Informationsträgern (alle solche, die über elektrische Felder wechselwirken können) koppeln.

KK