Licht zählt Atome
Eine extrem empfindliche Methode zum Detektieren einzelner Atome basiert auf Licht in einer Glasfaser.
Glasfaserkabel sind heute unverzichtbare Informationsleitungen für das Internet – nun dienen sie auch als Quanten-Labor. Forscher am Atominstitut der TU Wien können einzelne Atome kontrolliert an das Licht in ultradünnen Glasfasern ankoppeln. Spezielle Lichtwellen werden so präpariert, dass sie schon auf eine kleine Anzahl von Atomen sensibel reagieren. Damit lassen sich hochempfindliche Detektoren bauen, mit denen man winzige Stoffmengen nachweisen kann. Das Team um Arno Rauschenbeutel vom Vienna Center for Quantum Science and Technology kooperierte dazu mit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, von der Rauschenbeutel im vergangenen Jahr nach Wien übersiedelt ist.
Abb.: Visualisierung der Glasfaser: Die Lichtwelle im Inneren ragt aus der Faser heraus und wird durch die Atome beeinflusst, die oben und unten knapp außerhalb angelagert sind. (Bild: TU Wien)
Die Glasfasern, die Arno Rauschenbeutel für seine Experimente verwendet, sind nur 500 Nanometer dick – und damit dünner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts. „Die Lichtwelle passt also eigentlich nicht vollständig in die Glasfaser, sie reicht noch ein Stück aus der Glasfaser heraus“, sagt Rauschenbeutel. Genau darin liegt der große Vorteil: Die Lichtwelle registriert Atome, die sich außen in der Nähe der Glasfaser befinden. „Zuerst fangen wir Atome ein, sodass sie sich knapp oberhalb und unterhalb an der Glasfaser aufreihen, wie Perlen einer Kette“, sagt Rauschenbeutel. Die Lichtwelle, die durch die Glasfaser geschickt wird, kommt dann mit jedem einzelnen der Atome in Kontakt. Wenn man genau misst, wie sich die Lichtwelle verändert, lässt sich herausfinden, wie viele Atome sich angelagert haben.
Bei den Glasfaser-Experimenten an der TU Wien reicht eine vergleichsweise sanfte Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen aus: „Durch die Atome an der Glasfaser bewegt sich die Lichtwelle nicht mehr so schnell wie sonst, sondern etwas langsamer“, erklärt Arno Rauschenbeutel. Wenn die Lichtwelle genau nach oben und unten in Richtung der Atome schwingt, werden Wellenberge und Wellentäler dadurch ein kleines Bisschen verschoben. Eine andere Lichtwelle, in deren Schwingungsebene keine Atome liegen, wird hingegen kaum verzögert. Man sendet also Lichtwellen unterschiedlicher Schwingungsrichtung durch die Glasfaser und misst die Phasendifferenz aufgrund ihrer unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Kennt man die Phasendifferenz, dann weiß man auch, von wie vielen Atomen das Licht verzögert wurde.
Derzeit positioniert das Team hunderte bis tausende Atome in einem Abstand von weniger als einem Mikrometer zur Glasfaser. Mit den Lichtstrahlen bestimmen die Forscher dann ihre Anzahl bis auf wenige Atome genau. Sie hoffen, bald auch einzelne Atome nachweisen zu können.
Nicht nur für die Entwicklung von Sensoren, auch für die quantenphysikalische Grundlagenforschung ist die Glasfaser-Methode wichtig. „Normalerweise geht bei einer Messung der quantenphysikalische Zustand eines Systems verloren, weil der Messvorgang einen starken Einfluss auf das Quanten-Objekt hat“, erklärt Arno Rauschenbeutel. „Unsere Glasfasern eröffnen die Möglichkeit, Quantenzustände zerstörungsfrei nach Belieben zu kontrollieren.“ Zum Beispiel kann mit Hilfe der Atome an der Glasfaser die Schwingungsrichtung von einzelnen Lichtteilchen genau gesteuert werden.
TU Wien / PH
