17.03.2011

Lichtstift beschreibt Quantengas

Kontrolle über die Spinzustände einzelner Atome in einem optischen Gitter.

Kontrolle über die Spinzustände einzelner Atome in einem optischen Gitter.

In einem Quantengas aus Rubidium-Atomen in einem optischen Gitter haben Physiker des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und der LMU München zielgenau einzelne Spins manipuliert. Dies eröffnet die Möglichkeit, Grundlagen der Quantenmechanik genauer zu studieren, stellt aber auch einen Schritt in Richtung Quantencomputer und Quantensimulatoren dar.

Abb.: Die fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen zeigen die Rubidium-Atome, die in dem optischen Gitter zurückbleiben, nachdem die Forscher die Spins der anderen Atome gedreht und diese aus dem Gitter entfernt haben. (Bild: S. Kuhr / I. Bloch, MPQ)

Die bis zu 400 Atome saßen dafür in einem optischen Gitter. Interferierende Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von λ=1.064 nm bilden dabei Potenzialmulden, ähnlich den Vertiefungen eines Eierkartons, mit einem Abstand (einer Gitterkonstante) von a = λ/2 = 532 nm aus. Durch eine entsprechende Präparation lag ein Mott-Zustand vor: Die Atomwolke verteilte sich so, dass jeder Gitterplatz mit genau einem Atom besetzt war, und alle Atome zeigten den selben internen Spinzustand. Durch die gezielte Bestrahlung einzelner Gitterplätze (mit einer Genauigkeit von 0,1 a) mit einem weiteren Laser der Wellenlänge 787,55 nm, den sie durch ein Mikroskop auf etwa 600 nm Breite (FWHM) fokussierten, sorgten die Forscher für eine Hyperfeinauspaltung der Spinzustände. Mit Hilfe eines, für diesen Übergang, resonanten Mikrowellenpulses klappten die Wissenschaftler im nächsten Schritt den Spin mit einer Fidelität (Überlapp von tatsächlichem und erwartetem Zustand) von etwa 95% um.

Durch die genaue Fokussierung des Lasers erfuhren benachbarte Atome nur 10% der Intensität, woraus eine unterschiedliche Aufspaltung der Zustände resultierte. Mit dem schmalbandigen Mikrowellenspektrum konnte dieser Unterschied aufgelöst werden, so dass tatsächlich nur das gewünschte Atom mit einem Spinflip reagierte. Da Atome abhängig vom Spinzustand leicht aus dem Gitter entfernt werden können, ist diese Methode auch dazu geeignet, die räumliche Struktur der Atomverteilung zu kontrollieren.

Diese Kontrolle über Position und Spins einzelner Atome ermöglicht eine präzise Präparation bestimmter Vielteilchenzustände, welche zum Beispiel in der Simulation physikalischer Phänomene wie der Hochtemperatursupraleitung Anwendung finden können. Solche Systeme könnten aber auch das Herz eines Quantencomputers sein, der für die Durchführung von Rechnungen nach der Bereitstellung eines bestimmten Vielteilchenzustandes nur die lokale Kontrolle und das Auslesen der Einzelspins benötigt. Mit einzelnen Atomen im sonst leeren Gitter lassen sich auch grundlegende Quanteneffekte wie das Tunneln, oder darauf basierend ein Random Walk in der Quantenwelt, genau studieren. Abhängig von der Energie der Atome  in ihren Potentialtöpfen konnten die Wissenschaftler verschiedene Tunnelraten direkt beobachten.

MPG / KK

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