Schnappschuss von schwebenden Atomen

Als es vor etwa vierzig Jahren erstmals gelang, ein einzelnes gefangenes Atom zu foto­grafieren, war dies ein Meilenstein der Quantenforschung. Dieser Durchbruch wurde damals möglich, weil das Atom mit elektrischen Feldern im luftleeren Raum festgehalten wurde – fern von Oberflächen, deren Streulicht die Kamera blenden könnte. 
Wissen­schaftlern der Humboldt-Universität zu Berlin und der Technischen Universität Wien ist es nun erstmals gelungen, Fotos von einzelnen Atomen zu schießen, die weniger als einen Tausendstel Millimeter über einer licht­leitenden Glasfaser schweben.

Diese Methode erlaubt, im Labor Effekte wie die Absorption und Aussendung von Licht viel kontrollierter als bisher zu untersuchen. Außerdem helfen die gewonnenen Erkenntnisse dabei, Bauelemente für eine neue Generation optischer Glasfaser-Netzwerke zu entwickeln.
 Dazu hat die Arbeits­gruppe von Arno Rauschenbeutel an der HU Berlin vor etwa zehn Jahren erstmals eine neuartige Atom-Licht-Schnittstelle realisiert, in der einige tausend Atome in der Nähe von speziellen Glasfasern gefangen werden. Es handelt sich um optische Nanofasern. Die Atome werden mit einer Pinzette aus Laserlicht ein Fünftel Mikrometer von der Glasfaser-Ober­fläche entfernt festgehalten. Zugleich werden sie mittels Laserlicht auf eine Temperatur von etwa einem Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. 



Trotz dieser extremen Bedingungen konnten die Forscher nun sogar Experimente mit einzelnen faser­gekoppelten Atomen machen. Die Atome haben sie dabei fotografiert und kurze Filme von wenigen Sekunden Dauer aufgenommen. Hierfür benutzten sie eine ultra­empfindliche Kamera und mussten jegliches Umgebungs­licht rigoros abschirmen. Dank der permanenten Kühlung hielten die Atome so gut still, dass die Bilder fast eine halbe Sekunde lang belichtet werden konnten. „Aufbauend auf diesen Ergebnissen, können wir in Zukunft die Wechselwirkung von Licht und Materie extrem genau, nämlich Atom für Atom, untersuchen“, sagt Philipp Schneeweiß, Mitglied des Rauschen­beutel-Teams. Mögliche Anwendungen dieser Forschung umfassen effi­zientere Lichtquellen und photo­sensitive Elemente, die Verwendung von einzelnen Atomen als Sonden zur Erforschung der Eigenschaften von Oberflächen sowie die optische Verarbeitung von Quanten­informationen.

HU Berlin / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Y. Meng et al.: Imaging and Localizing Individual Atoms Interfaced with a Nanophotonic Waveguide, Phys. Rev. Lett. 125, 053603 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.053603
• Institut für Physik, Humboldt-Universität Berlin