Doppelspaltversuch im Spiegelkabinett

Der klassische Versuch offenbart in einer rein quantenphysikalischen Variation mit zwei Atomen überraschende Interferenzerscheinungen

9. März 2016

Unter Physikern gilt es als eins der schönsten Experimente aller Zeiten, und nach Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman enthält es das ganze Geheimnis der Quantenphysik: das Doppelspalt-Experiment. Auf eindrucksvolle Weise führt es die Wellennatur des Lichts und das Phänomen der Interferenz vor Augen. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben diesen klassischen Versuch nun neu arrangiert: An die Stelle der zwei Spalte treten bei ihnen zwei einzelne Atome, an denen Licht gestreut wird. Auch hier kommt es zu Interferenzerscheinungen. Doch anders als in der ursprünglichen Variante treten in diesem Versuch zusätzliche Quantenphänomene auf. Aus ihnen lernen die Physiker, auf welche Weise Licht mit Materie in Wechselwirkung tritt. Voraussetzung für das Gelingen dieses Experiments war, dass die Physiker Atome im Resonator mit bislang unerreichter Präzision kontrollieren und beobachten können. Langfristig wollen sie studieren, wie sich daraus neue Wege der Quanteninformations-Verarbeitung auffinden lassen.

Resonantes Laserlicht (roter Pfeil) wird an zwei einzelnen Atomen gestreut. Die auftretenden Interferenzeffekte (hier künstlerisch dargestellt) sind durch die genaue Position der Atome und die Wechselwirkung mit dem im optischen Resonators (Spiegel in grau) gefangenen Licht bestimmt.

Das um 1800 von dem englischen Physiker Thomas Young ausgeführte Experiment ist im Prinzip sehr einfach: Man schickt Licht durch zwei dünne, nebeneinanderliegende Spalte auf eine Leinwand. Weil die Spalten so dünn sind, weitet sich das hindurchtretende Licht auf und beleuchtet große Teile der Leinwand. Dort wo sich das Licht beider Spalte überlagert, ist es jedoch nicht etwa doppelt so hell wie das Licht aus einem Spalt. Es ergibt sich vielmehr ein Streifenmuster, in dem sich viermal so helle Streifen mit unbeleuchteten abwechseln. Physiker sprechen von Interferenz und erklären das Muster mit der Wellennatur des Lichtes – wo zwei Wellenberge oder -täler zusammentreffen, ist es hell, wo Berg und Tal sich überlagern, ist es dunkel. Die Form des streifenförmigen Interferenzmusters hängt – bei fester Lichtwellenlänge – vom Abstand der beiden Spalte ab.

Das Team des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik verwendet anstelle der beiden Spalte zwei Rubidium-Atome, die sie mit einem Laser zum Leuchten anregen können. Die Atome positionieren sie auf ausgeklügelte Weise exakt. „Kernstück des experimentellen Aufbaus ist ein optischer Resonator, der aus zwei hochreflektierenden Spiegeln im Abstand von einem halben Millimeter besteht", erläutert der Erstautor der Veröffentlichung Andreas Neuzner, der mit diesem Experiment auch promoviert. Zwischen diesen beiden Reflektoren erzeugen Laserstrahlen ein stehendes Lichtfeld. Physiker sprechen von einem optischen Gitter, das man sich entfernt wie einen Eierkarton vorstellen kann. Da hinein werden nun gekühlte Rubidium-Atome transferiert, die sich in die Mulden des Kartons setzen.

Der Abstand der Atome lässt sich auf weniger als 70 Nanometer genau bestimmen

Wenn man auf diese Atome einen weiteren Laserstrahl richtet, senden sie Fluoreszenzlicht aus. Das ermöglicht es den Garchinger Physikern, in einem aufwendigen Verfahren mit einem eigens entwickelten, hochauflösenden Mikroskop jedes einzelne Atom bis auf 70 Nanometer, also auf einen Bruchteil der Lichtwellenlänge genau zu lokalisieren. „Die Potenzialmulden unseres Lichtgitters sind sehr tief, so dass die Atome darin eng eingezwängt sind", erklärt Neuzner. Und da die Physiker die Maße ihres Lichtgitters, also auch den Abstand zweier Mulden, auf unter ein Nanometer genau kennen, lässt sich der tatsächliche Abstand der Atome noch deutlich genauer als 70 Nanometer bestimmen. Die hohe Präzision ermöglicht es den Forschern zudem, unerwünschte Atome mit einem weiteren Laserstrahl aus dem Gitter herauszuschießen. „Das machen wir so lange, bis genau zwei Atome mit dem von uns gewünschten Abstand übrig bleiben", so Neuzner.

Damit ist das rein quantenmechanische Doppelspalt-Experiment eingerichtet. Beleuchten die Physiker die beiden Atome nun mit Laserlicht geeigneter Wellenlänge, senden sie Fluoreszenzlicht aus, das sich wie im klassischen Versuch überlagert und ein Interferenzmuster bildet. Dieses zeichnet ein Detektor auf, der hinter einem der beiden teildurchlässigen Spiegel Licht aus dem Resonator einfängt. Die Garchinger Quantenforscher verändern von Experiment zu Experiment den Abstand zwischen den Atomen und stellen so unterschiedliche Interferenzbedingungen ein.

Die Atome sonnen sich in einem Lichtbad – mit interessanten Folgen

Doch bei genauem Hinsehen stellten die Forscher bei ihren Versuchen Abweichungen vom klassischen Fall fest. Im Minimum des Interferenzmusters, also bei destruktiver Interferenz, wird es nicht vollständig dunkel, sprich die Intensität geht nicht auf null zurück. Dies rührt daher, dass die Atome eben keine Spalte sind. „Bei destruktiver Interferenz können beide Atome gleichzeitig vom Laser angeregt werden und in den Resonator emittieren“, erläutert Neuzner. Und dieses Licht registriert dann der Detektor.

Ein Teil des von den beiden Atomen ausgesandten Lichts gelangt jedoch auf die Spiegel und wird von ihnen mehrfach reflektiert. Dadurch baut sich im Resonator ein Lichtfeld auf, das auf die Atome rückwirkt. Die Atome sonnen sich gewissermaßen in einem Lichtbad – mit interessanten Folgen.

So sollte im Falle von zwei freien Atomen die Lichtintensität im Maximum des Interferenzmusters, also bei konstruktiver Interferenz, viermal so groß sein wie von einem Einzelatom. Im Garchinger Experiment ist die Intensität jedoch nur um das1,3-Fache erhöht. Ursache ist das Lichtfeld im optischen Resonator, das sich dem Anregungslicht überlagert. „Durch destruktive Interferenz wird der Raum um die Atome herum dunkel", erklärt Neuzner. Deshalb werden sie von außen weniger stark angeregt und können weniger abstrahlen. Die Intensität sinkt also.

Atome in einer Falle für die Quanteninformationsverarbeitung

„Weil wir die Atome so genau kontrollieren und beobachten können, haben wir die Möglichkeit, Quantenphysik auf Lehrbuchniveau sauber zu analysieren", sagt Gerhard Rempe, Direktor am Garchinger Max-Planck-Institut und Leiter der Gruppe Quantendynamik und ergänzt: „Es ist ungeheuer spannend herauszufinden, was genau passiert, wenn Licht mit Atomen wechselwirkt."

Neben diesen Fragen der Grundlagenforschung denken die Garchinger Physiker jedoch weiter. Atome in einer Falle gelten als eine Möglichkeit, einen Quantencomputer zu realisieren. Sie können auch als Knoten für den Austausch von Information in Quantennetzwerk dienen: „Sie bieten die Möglichkeit, neuartige Protokolle für die Quanteninformationsverarbeitung mit mehreren Quantenbits zu implementieren“, sagt Rempe. In dieser Richtung wollen Rempe und Kollegen die Experimente mit ihrer Präzisionsanlage zukünftig erweitern.

TB

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