07.03.2024

Neue Methode misst die 3D-Position einzelner Atome

Das Verfahren bestimmt alle drei Raumkoordinaten eines Atoms mit einem einzigen Foto.

Seit mehr als einem Jahrzehnt ist es möglich, mit Hilfe spezieller Mikroskope den Aufenthalts­ort einzelner Atome präzise zu messen - und das auf weniger als einen tausendstel Millimeter genau. Allerdings lieferte diese Methode bislang nur die x- und y-Koordinate. Es fehlte die Höhenangabe, also der Abstand des Atoms zum Mikroskop-Objektiv. Nun gibt es eine neue Methode, die alle drei Raum­koordinaten eines Atoms mit einem einzigen Foto bestimmen kann. Das Verfahren, das an der Universität Bonn und der University of Bristol entwickelt wurde, basiert auf einem raffinierten physikalischen Prinzip.

Abb.: Die verschiedenen Drehrichtungen der rötlich-lilafarbenen „Hanteln“...
Abb.: Die verschiedenen Drehrichtungen der rötlich-lilafarbenen „Hanteln“ belegen, dass die Atome in unterschiedlichen Ebenen liegen.
Quelle: IAP, U. Bonn

Mit einem Quantengas-Mikroskop kann man die x- und y-Koordinate eines Atoms bestimmen. Seine z-Koordinate, also sein Abstand zur Objektivlinse, ist jedoch viel schwieriger zu messen: Um herauszufinden, in welcher Ebene sich das Atom befindet, müsste man mehrere Bilder machen, bei denen der Fokus auf verschiedene Ebenen verschoben ist. Dieser Prozess ist komplex und zeit­aufwändig. „Wir haben nun eine Methode entwickelt, mit der das in einem Schritt geht“, erklärt Tangi Legrand vom Institut für Angewandte Physik (IAP) der Universität Bonn. „Wir nutzen dazu einen Effekt, der in der Theorie bereits seit den 1990er Jahren bekannt ist, aber noch nie in einem Quantengas-Mikroskop eingesetzt wurde.“

Um mit Atomen zu experimentieren, muss man sie zunächst stark abkühlen, so dass sie sich kaum noch bewegen. In dieser Form kann man sie mit einer stehenden Welle aus Laserlicht einfangen. Sie rutschen dann in die Wellentäler, ähnlich wie Eier in die Vertiefungen eines Eierkartons. Um sie dort sichtbar zu machen, beleuchtet man sie mit einem zusätzlichen Laserstrahl. Sie werden dadurch angeregt, selber Licht auszusenden. Diese Fluoreszenz­strahlung wird im Quanten­gas-Mikroskop als leicht verschwommener, runder Fleck sichtbar. „Wir haben nun ein spezielles optisches Bauteil verwendet, um die vom Atom ausgehende Lichtwellenfront zu verformen“, sagt Andrea Alberti. Der Forscher, der inzwischen an das Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching gewechselt ist, war ebenfalls an der Studie beteiligt. „Die so verformte Wellenfront erzeugt am Ort der Kamera statt des typischen runden Flecks eine um sich selbst rotierende Hantel. Die Richtung, in die diese Hantel weist, hängt von der Strecke ab, die das Licht vom Atom zur Kamera zurücklegen musste.“ „Die Hantel fungiert also als eine Art Kompassnadel, an deren Stellung wir die z-Koordinate ablesen können“, sagt IAP-Forscher Dieter Meschede. 

Die neue Methode erlaubt es, den Aufenthaltsort eines Atoms in drei Dimensionen präzise zu bestimmen – und zwar mit einer einzigen Fotoaufnahme. Das ist unter anderem wichtig, will man mit Atomen quanten­mechanische Experimente durchführen. Denn dabei kommt es oft darauf an, ihre Position exakt zu kontrollieren oder sogar zu verfolgen, um sie in gewünschter Weise miteinander inter­agieren zu lassen. Zudem kann das Verfahren auch bei der Entwicklung neuer Quanten-­Materialien mit besonderen Eigenschaften helfen. „Wir können zum Beispiel untersuchen, welche quanten­mechanischen Effekte bei einer bestimmten Anordnung der Atome auftreten könnten“, erklärt Carrie Weidner von der Universität Bristol. „Wir können so gewisser­maßen die Eigenschaften drei­dimensionaler Materialien simulieren, ohne sie synthetisieren zu müssen.“

U. Bonn / JOL

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