Forschung & Entwicklung

Fotos einzelner Atome

Erstmals lassen sich einzelne Atome fotografieren, die weniger als einen Tausendstel Millimeter über einer lichtleitenden Glasfaser schweben.

Als es vor etwa 40 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 (HU) und der Technischen Universität Wien ist es nun erstmals gelungen, Fotos von einzelnen Atomen zu machen, die weniger als einen Tausendstel Millimeter über einer lichtleitenden Glasfaser schweben. Dies 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 Glasfasernetzwerke zu entwickeln.

Die Arbeitsgruppe von Professor Arno Rauschenbeutel an der HU Berlin hat 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 sogenannte optische Nanofasern, die 100mal dünner sind als ein menschliches Haar. Die Atome werden mit einer Pinzette aus Laserlicht 0,2 µm von der Glasfaseroberfläche entfernt festgehalten. Zugleich werden sie mittels Laserlicht auf eine Temperatur von circa 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 Dr. Philipp Schneeweiß von der HU Berlin. Mögliche Anwendungen dieser Forschung umfassen effizientere Lichtquellen und fotosensitive Elemente, die Verwendung von einzelnen Atomen als Sonden zur Erforschung der Eigenschaften von Oberflächen sowie die optische Verarbeitung von Quanteninformationen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[Y. Meng, C. Liedl, S. Pucher, A. Rauschenbeutel, P. Schneeweiss, Imaging and localizing individual atoms interfaced with a nanophotonic waveguide, Phys. Rev. Lett. 125 (2020), DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.053603]

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