Photoabsorption einzelner Atome abgebildet

Die Absorption von Licht ist ein fundamentaler physikalischer Prozess, der in der Spektralanalyse von der Astro- bis zur Biophysik von größter Bedeutung ist. Australische Forscher haben nun die Abschwächung eines Lasersignals durch ein einzelnes Ytterbium-Ion präzise messen können. Das Ytterbium-174-Atom war einfach ionisiert und in einer RF-Paul-Falle gefangen (RF: radio frequency). Ein Diodenlaser diente gleichzeitig zur Laserkühlung und zur Beleuchtung. Die Forscher konnten eine dreiprozentige Abschwächung des Signals messen, was dem theoretisch erwartbaren Limit für diesen Messaufbau entspricht.

Quantenmechanische Grenzen legen die maximale Abschwächung eines Lichtsignals durch einen einzelnen Absorber fest. Die resonante Lichtstreuung an einzelnen Atomen ist somit ein guter Test für die grundlegenden Grenzen absorbierender bildgebender Verfahren. Mit ihrem Verfahren konnten die Forscher der Universität Brisbane nun eine Verbesserung im Kontrast von vier Größenordnungen gegenüber früheren Experimenten erreichen.

Eine wichtige Voraussetzung hierzu war eine möglichst ruhige Positionierung des Ytterbium-Ions in einer Hochvakuum-Paul-Falle, wo elektrische Quadrupolfelder zwischen zwei Wolframnadeln es über Stunden einsperren können. Auf dieses Ion fokussierten die Forscher das Laserlicht mit einer Frequenz von 369,5 Nanometern auf eine Halbwertsbreite von 4,8 Mikrometern.

Um das Ion möglichst ruhig zu stellen, benutzten sie das Verfahren der Laserkühlung, indem sie den Diodenlaser leicht unterhalb der Resonanz stimmten. Am besten erwies sich hier eine leichte Verstimmung von 8 Megahertz unterhalb der Anregungsfrequenz. Die Laserkühlung war effektiv genug, um das Ytterbium-Ion auf wenige Millikelvin herabzukühlen. Bei positiver Verstimmung, also bei Laserheizen, nimmt die Bewegungsamplitude des Ions schnell zu, und somit auch die Größe der abzubildenden Fläche, wodurch der Kontrast unter die Nachweisgrenze sinkt.

Durch ein schwaches magnetisches Feld entlang der Beleuchtungsachse konnten die Forscher eine Quantisierungsachse einführen, ohne die Zeeman-Energieniveaus aufzuspalten. Das Ytterbium-174-Ion besitzt keinen nuklearen Spin und somit auch keine Hyperfeinstruktur. Die Aufnahme des Signals geschah mit einer ebenfalls gekühlten CCD-Kamera mit Phasen-Fresnel-Linse bei 615-facher Vergrößerung. Ein spektraler Interferenzfilter vor der Kamera beseitigte Streulicht anderer Frequenzen.

Die Abbildung dauerte zwischen 0,05 Sekunden bei starken Intensitäten und einer Sekunde bei schwächeren. Die Absorptionsbilder ergaben sich aus dem Vergleich zweier Aufnahmen. Einmal war dies die direkte Absorptionsaufnahme; als Vergleich diente eine Aufnahme, bei der das Ytterbium-Ion durch Anregung mit Strahlung einer anderen Frequenz in einen metastabilen Zustand gepumpt wurde, bei dem keine resonante Streuung bei 369,5 Nanometern mehr stattfand.

Die Forscher erreichten so einen Kontrast von 3,1 Prozent, bei einer Absorptionsleistung von 34 Picowatt. Damit konnten sie das nach semiklassischen Berechnungen zu erwartende Maximum an Absorption pro Beleuchtungsphoton aus ihrem Aufbau herauskitzeln. Solche Kontraste sind vor allem für die UV- und Röntgenmikroskopie von Bedeutung, da bei biologischen Proben eine intensive Belichtung die Zellkörper sehr schnell zerstören kann. Insbesondere die Chromatinstränge des Zellkerns, die man bei Prozessen wie Zellteilung, Genexpression und Transkription untersuchen möchte, sind anfällig gegenüber kurzen Wellenlängen. Die Forscher hoffen deshalb, mit ihrem Aufbau neue Möglichkeiten zur Kontrasterhöhung bei solchen Abbildungen zu schaffen. Auch für die Quanteninformationsverarbeitung sind die neuen Ergebnisse von Interesse.

Dirk Eidemüller

OD