Atome in der Falle – Nochmal Nobelpreis

16. Oktober 2012 von Joachim Schulz in Experimentelles

Während Serge Haroche winzige elektromagnetische Felder mit kleinen Photonenzahlen in einem Resonator hält und diese mit Atomstrahlen vermisst, dreht der andere diesjährige Nobelpreisträger für Physik den Spieß um und manipuliert einzelne gespeicherte Atome mit Laserfeldern. David J. Wineland ist bekannt für seine Experimente an Ionen in elektrodynamischen Fallen. Diese Fallen werden nach ihrem Erfinder auch Paul-Fallen oder korrekter Paul-Käfige genannt.

In einem Paulkäfig, der im einfachsten Fall einfach aus zwei gegeneinander zeigende Drahtspitzen besteht und aus einer Büroklammer gebogen werden kann, werden elektrisch geladen Teilchen mit einem elektrischen Feld in der Schwebe gehalten. Das geht mit Bärlapp-Sporen, mit denen wir es während meiner Diplomarbeit beim Tag der offenen Tür demonstriert hatten. Das geht mit geladenen Nanopartikeln und Proteinkomplexen. Und es geht mit einzelnen geladenen Atomen.

Ein Feld, in dem geladene Teilchen gespeichert werden sollen, kann allerdings nicht statisch sein. Zwar wird ein positiv geladenes Teilchen von zwei negativen Drahtspitzen angezogen, so dass es zur Verbindungslinie gezogen wird, aber in der Mitte zwischen den Drahtspitzen liegt es nicht Stabil. Wenn es einer Drahtspitze etwas näher ist als der anderen, erfährt es von ihr eine stärkere Kraft und wird dort hingezogen. Ein zentriertes Teilchen liegt also Quer zur Verbindungslinie in einem Tal, längst der Verbindungslinie aber auf einem Berg. Sowas nennt man einen Sattelpunkt.

Der Trick der Paulfalle ist es nun, den Draht ständig umzupolen, also mit Wechselspannung zu betreiben. Dabei muss die Frequenz so eingestellt werden, dass das Teilchen die Spitze noch nicht erreicht hat, wenn deren Ladungszustand wechselt. Dann wird das Teilchen wieder in die Mitte zwischen die Spitzen gedrückt, aber leider auch aus deren Verbindungslinie heraus. Das Teilchen wird also zu einer Seite weggedrückt. Da nun aber die Spannung der Spitzen wieder wechselt, bevor das Teilchen allzu weit weg ist, wird es dann wieder zur Verbindungslinie und auf eine der Spitzen (diesmal die andere) zu gezogen. Auf dieser Weise kann man eine dynamische Teilchenfalle erzeugen, die ausschließlich mit elektrischen Kräften arbeitet.

In der Praxis werden die beiden Metallspitzen meist mit einer geerdeten Ringelektrode ergänzt, die für ein klar definiertes Außenpotential sorgt. Außerdem kann solch eine Falle als Linear-Falle gebaut werden. Dabei werden die Spitzen durch zwei parallel angebrachte Stangen ersetzt. Teilchen können sich nun parallel zu den Stangen frei bewegen, sind aber in den anderen beiden Raumdimensionen gefangen.

Für die Entwicklung der Paulfalle und einer elektromagnetischen Falle hat Wolfgang Paul 1989 zusammen mit Hans G. Dehmelt den Nobelpreis erhalten. Die lineare Paulfalle wird heute oft als Massenfilter genutzt. Dabei wird ausgenutzt, dass die nötige Frequenz und Spannung zum Halten eines Teilchens stark von dessen Verhältnis aus Masse und Ladung abhängt. Zu schwere Teilchen werden in der Falle ist ausreichend beschleunigt und können nicht gehalten werden. Zu leichte Teilchen beschleunigen so stark, dass die Umpolung nicht rechtzeitig erfolgt, bevor sie die Falle verlassen haben. Solche Fallen werden als Quadrupol-Massenspektrometer kommerziell in Physik und Biologie verwendet.

Dieses Jahr erhält David J. Wineland den Nobelpreis natürlich nicht noch einmal für die Paulfalle, sondern für die atomphysikalischen Experimente, die er damit gemacht hat. Einzelne Atome in einer Falle sind ein hervorragendes Versuchsobjekt für grundlegende Quantenphysik und einige Anwendungen. Atome sind so leicht, dass ihre thermische Energie bei Raumtemperatur ausreicht, um der Falle zu entkommen. Außerdem folgt schon aus der Symmetrie von Atomfallen, dass jedes Atom, das in die Falle hineinfällt, auf der anderen Seite auch wieder entkommen kann. Deshalb verwendet man optische Kühlmethoden direkt in der Falle, um die Atome einzufangen und kalt zu halten. Nicht zuletzt auf dem Gebiet optischer Kühlung von Atomen hat sich Winelands Gruppe in den 90er Jahren hervorgetan und immer wieder Rekorde gebrochen.

Die einfachste Laserkühlung beruht darauf, dass die Absorption eines Photons dem Atom einen gerichteten Impuls in Flugrichtung des Photons mitgibt. Bei der Emission wird zwar derselbe Impuls wieder frei, jedoch erfolgt die Absorption immer aus der Richtung, aus der der Laser kommt, die Emission dagegen gleichverteilt in alle Richtungen. Ein Laser kann ein entgegenkommendes Atom abbremsen. Sorgt man nun mit passender Abstimmung dafür, dass nur dem Laser entgegenkommende Atome Licht absorbieren, so kann eine allgemeine Atombremse realisiert werden. Dadurch, dass die zunächst schnellen Atome im Paulkäfig abgebremst werden, wird eine Falle realisiert und die Atome werden kalt gehalten und können trotz externer Wärmestrahlung stundenlang in der Falle gespeichert werden.

Als Atome in solch einer Falle dienen imm einfachsten Fall einfach positiv geladene Alkaliatome. Das sind solche, die im Periodensystem in der zweiten Spalte stehen. Die haben, weil ihnen ein Elektron fehlt, genau ein äußeres Elektron, das mit einem Laser angeregt werden kann. Es befindet sich in einem s-Orbital, dem einfachsten möglichen Zustand, und kann in ein p-Orbital angeregt werden. Auf diesem Übergang funktioniert die Laserkühlung. Mit grünem Licht beim schweren Barium und mit ultraviolettem Licht beim leichten Beryllium.

Bei den leichteren Elementen, Beryllium und Calcium, sind nur diese beiden unteren Zustände wichtig. Es wird nur ein Kühllaser benötigt. Wenn es aber um Realisierung eines Quantencomputers geht, oder um andere geschickte Manipulation von quantenmechanischen Überlagerungszuständen, braucht es mindestens zwei Zustände, die lange stabil sind. Aus dem p-Orbital fällt ein Elektron sofort wieder unter Lichtabgabe in das s-Orbital zurück. So gut das für die effektive Laserkühlung ist, so sehr würde es für die Realisierung eines Bits für Quantenelektronik stören. Überlagerungen zwischen s- und p-Orbital sind instabil.

Wineland und sein Team nutzen den Umstand, dass Beryllium-Kerne eine ungerade Zahl von Kernbausteinen und somit ein magnetisches Moment haben. Der einzige stabile Beryllium-Kern besteht aus vier Protonen und fünf Neutronen. Ausgleichen können sich die Drehimpulse von Neutronen und Protonen nur, wenn es eine gerade Anzahl von Teilchen im Kern gibt. Somit bleibt ein Drehimpuls (Spin=3/2) übrig und der Kern ist magnetisch. Mit diesem Kernmagnetismus wechselwirkt nun das Elektron im s-Zustand und erzeugt so drei sogenannte Hyperfein-Zustände, die sich zum einen durch den Betrag des Gesamtspins und zum anderen in der magnetischen Quantenzahl unterscheiden.

Es gibt also streng genommen drei Grundzustände, die sich durch direkte elektronische Manipulationen nicht ineinander überführen lassen, weil Laserfelder nicht am Kern angreifen. Durch Anwendung von bis zu fünf verschiedenen Laserfeldern im selben Wellenlängenbereich bei 313 Nanometern, gelingt es der Gruppe von Wineland aber, den Zustand des Atoms bis ins Hyperfein-Niveau hinein zu kontrollieren.

Zusätzlich ist es der Winland-Gruppe 1995 gelungen, die Eigenbewegung eines Beryllium-Atoms in der Falle bis in der Grundzustand herunter abzukühlen [1] und gezielt einzelne Schwingungsmoden mit den elektronischen Hyperfeinstrukturen zu koppeln. Damit konnten sie dann in einer Folgeveröffentlichung [2] ganz ähnliche Messungen an mechanischen Atomschwingungen machen, wie Haroche sie an elektromagnetischen Schwingungen in einem Resonator durchführte. Auch hier konnte der Bewegungszustand von Fockzuständen und kohärenten Zuständen bei vollständiger Rekonstruktion der sogenannten Wignerfunktion rekonstruiert werden [3].

Damit hat die Gruppe um Wineland die Voraussetzungen für viele Experimente in Richtung Quantencomputern aber auch in Richtung verbesserter Zeitnormale geschaffen. Neuere Veröffentlichungen der Wineland-Gruppe beschäftigen sich mit der Möglichkeit, Atomfallen auf Chips zu integrieren und die Atome auf diesen gezielt in linearen Kanälen zu verschieben. Oder auch damit, verschiedene Atomsorten wie Magnesium und Aluminium in derselben Falle zu kombinieren um gezielte Anregungen des einen Atoms auf das andere übertragen zu können.

Referenzen:

[1] Physical Review Letters, 75, p4011 (1995)
[2] Physical Review Letters, 76, p1796 (1996)
[3] Physical Review Letters, 77, p4281 (1997)


9 Kommentare zu “Atome in der Falle – Nochmal Nobelpreis”

  1. Martin Holzherr Antworten | Permalink

    Quantencomputer Ende 21. Jahrhundert

    Ein Sprecher des Nobelpreiskomitees meinte, Winelands Forschungen öffneten den Weg zum Quantencomputer irgendwann Ende dieses Jahrhunderts. Solche lange Forschungs- und Entwicklungszeiträume sind schon etwas gewöhnungsbedürftig, ergeben sich aber auch nur schon aus den Jahrzehnten, in denen sich Winland jetzt schon mit einzelnen Ionen beschäftigt hat.

    Die Ironie oder Tragik könnte aber sein, dass irgendwann auf diesem Weg irgendwer beweist, dass man keine beliebig skalierbaren Quantencomputer bauen kann, weil das grundlegende Gesetze der Physik ausschliessen.

    Wineland selber meinte zur Realisation von Quantencomputern "such a super-computer was still a "long, long way" off"

    Und zu seiner Forschung insgesamt meinte er: "Most science progresses very slowly," Wineland told AFP.

  2. Frank Wappler Antworten | Permalink

    Unsichere (Be-)Ladung?

    Joachim Schulz schrieb (16. Oktober 2012, 09:01):
    > [...] Durch Anwendung von bis zu fünf verschiedenen Laserfeldern im selben Wellenlängenbereich bei 313 Nanometern, gelingt es der Gruppe von Wineland aber, den Zustand des Atoms bis ins Hyperfein-Niveau hinein zu kontrollieren.

    Übergänge zwischen verschiedenen Hyperfein-Niveaus von Beryllium-Ionen sind offenbar auch mit elektromagnetischen Feldern bzw. Strahlung im Wellenlängenbereich von ca. 1 m verbunden; vgl.
    http://tf.nist.gov/general/pdf/706.pdf

    Radio frequency (rf) radiation (frequency approximately equal to 300 MHz tuned to the ground state [...] transition)

    Kontrollierte die Gruppe von Wineland auch, ob bzw. wie derartige "rf"-Felder angeregt waren, oder wurden?

  3. Joachim Antworten | Permalink

    Quantencomputer

    Was den Nutzen von Quantencomputern betrifft, bin ich etwas skeptisch. Ich habe dazu 2008 schon etwas geschrieben:
    Quantenspeicher.
    Und hier mein Kommentar zu einer Arbeit aus diesem Jahr.

  4. Joachim Antworten | Permalink

    @Frank Wappler

    In der von ihnen verlinkten Veröffentlichung untersucht Wineland mit Koautoren die Hyperfeinstruktur von Beryllium-Ionen in einer magnetischen Penning-Falle. Hier richten sich in einem starken Magnetfeld von 1,1 Tesla der Spin von Kern und Elektron getrennt aus. Das sind andere atomare Zustände als die, mit denen wir es im schwachen Magnetfeld bei der Paulfall zu tun haben.

  5. Frank Wappler Antworten | Permalink

    +1

    Joachim schrieb (16.10.2012, 10:56):

    > [...] andere atomare Zustände als die, mit denen wir es im schwachen Magnetfeld [...] zu tun haben.

    Welche Frequenzen bzw. Wellenlängen wären denn charakteristisch für Übergänge zwischen den (schon im obigen SciLog-Artikel genannten) "drei Hyperfein-Grundzuständen" mit denen wir es in einer Paulfalle zu tun hätten;
    und übt(e) Winelands "Gruppe" auch dahingehend Kontrolle aus?

    Übrigens: Dave Winelands "Gruppe" nennt sich offenbar "Ion Storage Group"; vgl. http://www.nist.gov/pml/div688/grp10/index.cfm ...

  6. Joachim Antworten | Permalink

    @Frank Wappler

    "Dave Winelands "Gruppe" nennt sich offenbar "Ion Storage Group""

    Wie lange haben Sie gebraucht, das zu recherchieren?

  7. Frank Wappler Antworten | Permalink

    Mit Dehmelts Dub auf du und du

    Joachim schrieb (16.10.2012, 13:24):
    > ["Dave Winelands "Gruppe" nennt sich offenbar "Ion Storage Group""]
    > Wie lange haben Sie gebraucht, das zu recherchieren?

    Das war eher ein Gelegenheits(be+)fund.

    Und wie lange hast du gebraucht, um dem Titel des obigen SciLog-Artikels zu recherchieren?

  8. Karl Bednarik Antworten | Permalink

    Laienfragen

    An der Paulfalle habe ich verstanden, dass es sich um ein elektrisches Feld in Form einer Sattelfläche handelt.

    Bei dieser Sattelfläche wird durch die Wechselspannung ständig "oben" und "unten" vertauscht, symbolisch gesprochen.

    Warum heben sich nicht die longitudinale Anziehung und Abstossung und die transversale Anziehung und Abstossung gegenseitig genau auf, so dass in der Summe keine Tendenz in irgend eine Bewegungsrichtung auftreten sollte?

    Warum verwendet man keine Penningfalle, bei der keine Wechselspannung benötigt wird?

  9. Joachim Antworten | Permalink

    @Karl Bednarik: Paul vs. Penning

    Bei richtiger Abstimmung von Spannung und Frequenz der Paulfalle auf das Masse-Ladungs-Verhältnis der gespeicherten Teilchen kann man ausrechnen, dass sich im zeitlichen Mittel eine Kraft zum Zentrum der Kammer ergibt.

    Sie haben natürlich recht: Zunächst könnte man erwarten, dass sich die Kräfte einfach aufheben und das Teilchen im Schlingerkurs die Falle verlässt. Der Trick ist, dass auch die Trägheit eine entscheidende Rolle spielt. Das Teilchen muss schwer genug sein, nicht weggefegt zu werden und leicht genug um den Umpolungen zu folgen.

    Übrigens ist genau dieses Nettopotential ein entscheidender Vorteil der Paulfalle gegenüber der Penning-Falle. Das gemittelte Paulfallen-Potential ist in erster Näherung quadratisch. damit entspricht die Bewegung des Teilchens der eines harmonischen Oszillators und man bekommt analoge Schwingungszustände wie die des elektrischen Feldes im Resonator von Haroche.
    In der Penningfalle ist das Potential dagegen Ringförmig. Das gespeicherte Teilchen ruht nicht im Zentrum sondern kreist darum.

    Eine weiterer Vorteil ist, dass die Paulfalle als Linearfalle gebaut werden kann und darin mehrere Ionen wie auf einer Perlenkette aufgezogen gespeichert werden können. Mit solche einer Falle hat Wineland erste Versuche zur Übertragung von Quantenzuständen von einem Atom aufs Nachbaratom durchgeführt. Ein wichtiger Schritt für Quantencomputing.

    Zudem hat die Paulfalle den Vorteil, ohne starkes Magnetfeld auszukommen. In der Penningfalle werden die atomaren Orbitale durch das Tesla-starke Feld stark modifiziert. In einer Paulfalle lassen sich Atome in ihrem natürlichen Zustand untersuchen.

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