Mikrowellen für ultrakalte Atome

Interferometer auf der Basis von Bose-Einstein-Kondensaten: Extrem präzise Messungen sind möglich dank der Integration von Mikrowellenfeldern auf einem Atomchip.
 
Eingefangen, tiefgekühlt und unter Strom gesetzt: Atome auf einem Mikrochip haben oft kein leichtes Schicksal. Sie erlauben aber grundlegende Einblicke in die Welt der Quantenphysik. Die Basis der chipbasierten Technologie ist ein Quantenzustand der Materie, der 1995 erstmals im Labor verwirklicht wurde: Im Bose-Einstein-Kondensat werden Atome bis auf wenige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt - also 0 Kelvin oder -273,15 Grad Celsius - abgekühlt.
Aufgrund der extrem kalten Temperaturen entsprechen die Bewegung, der interne Energiezustand und andere Eigenschaften der Atome dann einem genau definierten Quantenzustand. Dieser kann mit Hilfe eines Mikrochips in einer Vakuumkammer gezielt manipuliert werden. Strom erzeugt dabei Magnetfelder, die die Teilchen wenige Mikrometer über der Chipoberfläche schweben lassen.

"Diese Technologie ermöglicht, den Welle-Teilchen-Dualismus, die Verschränkung von Quantenzuständen und andere grundlegende Fragen der Quantenphysik zu untersuchen", sagt Philipp Treutlein, Leiter der Arbeitsgruppe "Munich Atom Chip Group" an der Fakultät für Physik der der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. "Unter Quantenverschränkung versteht man, dass zwei oder mehr Teilchen nicht mehr einzeln, sondern nur noch als Gesamtsystem beschrieben werden können."
 

Atomchips werden auch als Interferometer genutzt. Dieses Messgerät für Materiewellen nutzt aus, dass sich das Bose-Einstein-Kondensat auf dem Chip zunächst räumlich aufspalten und anschließend wieder vereinen lässt. "Bei der Aufspaltung wird eine quantenmechanische Überlagerung der Atome in zwei Zuständen erzeugt. Bei der Vereinigung interferieren die Zustände dann, und ein charakteristisches Interferenzmuster entsteht", erklärt Treutlein. "Wirken im aufgespalteten Zustand externe Kräfte auf die Atomwolke ein, kann man diese anhand der Veränderungen des Interferenzmusters messen."

Die Wissenschaftler haben nun ein Interferometer auf der Basis von Bose-Einstein-Kondensaten entwickelt. Es soll extrem präzise Messungen ermöglichen und erzeugt zudem - dank integrierter Mikrowellenfelder - außerordentlich flexible Potentiale. Die Physiker konnten den Bewegungszustand und den internen Energiezustand der Atome unabhängig voneinander manipulieren. Neu ist auch, dass das Interferenzmuster nicht mehr räumlich aufgelöst werden muss. Es genügt, die Anzahl der Atome in den verschiedenen Zuständen zu bestimmen.
Die mikrowellenbasierte Technologie ermöglicht zudem die Erzeugung "gequetschter" Quantenzustände, mit deren Hilfe die Präzision bei interferometrischen Messungen - etwa von Gravitations- oder Rotationskräften - deutlich gesteigert werden könnte. Denn gequetschte Quantenzustände reduzieren das Quantenrauschen bei Messungen. Hierdurch wird die Genauigkeit beim Auslesen von Atomuhren und bei der interferometrischen Messung sehr schwacher Kräfte bislang begrenzt.

"Mikrowellenbasierte Atomchips könnten als kompakte und extrem empfindliche Messgeräte schwache elektromagnetische Felder, Rotations- und Gravitationkräfte bestimmen", sagt Treutlein. Die Messung von Rotationskräften ist etwa bei Navigationsgeräten von Bedeutung, während das Aufspüren schwacher Gravitationsveränderungen für die Entdeckung unterirdischer Wasser- oder Erdölvorräte von Nutzen sein könnte.

Laut der Wissenschaftler könnten die Atomchips auch bei der Entwicklung eines Quantencomputers von Vorteil sein, weil sie sehr kompakt sind und viele Quantenbits und -gatter auf ihnen Platz haben. Zudem leben die Überlagerungszustände von ultrakalten Atomen lange und sind sehr stabil.

Ludwig-Maximilians-Universität München/KP

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Pascal Böhi, Max F. Riedel, Johannes Hoffrogge, Jakob Reichel, Theodor W. Hänsch and Philipp Treutlein: Coherent manipulation of Bose-Einstein condensates with state-dependent microwave potentials on an atom chip. Nature Physics, Onlinepublikation vom 5. Juli (2009)
  http://dx.doi.org/10.1038/NPHYS1329
• Fakultät für Physik und Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Gruppe "Munich Atom Chip" www.munichatomchip.de (s. auch Publikationsliste)

KP