Optische Pinzette hält Gas-Atome fest

Laserlicht fängt einzelne Atome ein

Garching (pte009/25.03.2000/11:15)

Einem deutschen Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik http://www.mpq.mpg.de/ ist es erstmals gelungen, einzelne ungeladene Gas-Atome wie mit einer Pinzette festzuhalten und über mehrere Millisekunden lang zu beobachten. Die "Pinzette" besteht dabei aus schwachem Laserlicht, das zwischen zwei Spiegeln eine stehende Welle aufbaut - in einem der Schwingungsbäuche fängt sich das Atom und "ruht" für eine kurze Zeit. Wenn man es anders betrachtet, nämlich das Licht als Strahl einzelner Teilchen sieht, geht ein solches Laser-Photon mit dem Gas-Atom einen gebundenen Zustand ein: Das erste beobachtete Molekül, das aus Atom und Photon besteht. Dieser Forschungserfolg verspricht neue Antworten in der Grundlagenforschung, zur Wechselwirkung von Licht und Materie, sowie praktische Anwendungen auf dem Gebiet der Quantencomputer.

Die Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching entwickelte einen so genannten "atomaren Springbrunnen" und einen speziellen "Resonator" für das Laserlicht. In dem "Springbrunnen" werden die Gas-Atome auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15°C) gekühlt und senkrecht in die Höhe geworfen. Am höchsten Punkt ihrer Flugbahn, wo sie die Flugrichtung ändern und für kurze Zeit quasi still in der Luft liegen, befindet sich der Resonator aus zwei hochreflektierenden Spiegeln, zwischen denen ein sehr schwacher Laserstrahl oszilliert - ein Laserstrahl, der nur aus einem einzelnen Photon besteht.

Nach Ankunft des Atoms wird die Laserleistung plötzlich hochgeschaltet, um das Atom sicher einzufangen. Das Atom absorbiert ein Photon und gerät so in einen angeregten Zustand, wenn aber der Abstand der beiden Spiegel sehr klein ist, strahlt es die aufgenommene Energie auch wieder in den Resonator ab. So kommt es zu einem periodischen Austausch von Energie zwischen dem Atom und dem Lichtfeld. Der gebundene Zustand, das Atom-Photon-Molekül, zerfällt erst dann, wenn das Lichtquant von einem der beiden Spiegel nicht mehr reflektiert wird.

Das Team des Max-Planck-Instituts berichtet seinen Forschungserfolg in der Fachzeitschrift Nature. http://www.nature.com/ Ähnliche Ergebnisse gelangen zeitgleich nur einem Team des California Institute of Technology. http://www.caltech.edu/ Mit Hilfe ihres Systems will das Team eine so genannte Photonen-Pistole realisieren, mit der sich einzelne Lichtquanten zu bestimmten Zeiten in gezielte Richtungen aussenden lassen. Eine solche neuartige Lichtquelle wäre besonders für die Informationsübertragung in zwischen künftigen Quantencomputern interessant. (wsa) (Ende)