Ein Ion in der Laserfalle

Auch geladene Teilchen lassen sich mit Licht fangen, so dass in der Quantenphysik völlig neue Experimente möglich werden

Wenn ein Supertanker den Anker einer Jolle wirft, dürfte er nur selten gehalten werden. Mit ähnlichen Verhältnissen haben es Physiker des Max-Planck-Intituts für Quantenoptik in Garching zu tun, wenn sie ein Ion mit einem Laser einfangen. Ionenfallen gibt es zwar schon seit rund 60 Jahren, sie arbeiten aber mit langwelliger Radiofrequenzstrahlung und starken elektrischen Feldern. Laser verwenden Physiker dagegen seit etwa 30 Jahren, um Atome festzusetzen. Bislang schafften sie es nicht, Ionen im relativ schwachen elektromagnetischen Feld von Licht zu binden, weil die geladenen Teilchen leicht von Störfeldern fortgezerrt werden. Nachdem das den Garchinger Forschern nun gelungen ist, werden zahlreiche neue Experimente möglich. Etwa zu einer bislang kaum erforschten Quantenchemie, die vermutlich im Weltall stattfindet. Mit Lasern gefangene Ionen könnten aber auch experimentelle Quantensimulationen erleichtern, die etwa das Verständnis von Magnetismus und Supraleitung verbessern. (Nature Photonics, online publication, 24. Oktober 2010).

Gewöhnlich geht es in der Chemie ums Energiesparen: Atome, Ionen oder Moleküle nähern sich einander an und verschieben untereinander Elektronen, weil das für sie energetisch günstiger ist. Möglicherweise können Teilchen aber auch Elektronen austauschen, wenn eine Energiebarriere das eigentlich verhindern sollte. In solch einem Fall müssten die Elektronen diesen Wall durchtunneln - ein vergleichsweise langsamer quantenmechanischer Prozess, der nur bei sehr tiefen Temperaturen relevant wird, also etwa in kalten Gaswolken im Weltall. "Ob es diese Quantenchemie gibt und was genau dabei geschieht, möchten Forscher gerne untersuchen, indem sie ein einzelnes Atom gezielt mit einem einzelnen Ion zusammenbringen", sagt Tobias Schätz. "Dabei ist es essentiell, dass die Temperaturen niedrig genug sind, damit sich die Teilchen lange genug berühren und die Elektronen tunneln können.

Der Physiker und Mitarbeiter seiner Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik machen solche Experimente nun prinzipiell möglich. Ihnen ist es nämlich gelungen, ein einzelnes Magnesiumion im Brennpunkt eines gebündelten ultravioletten Laserstrahls zu fassen. Ganz so, als würden sie es mit einer materielosen Pinzette greifen. Vereinfacht gesprochen setzen sie das Ion in einem Tal der elektromagnetischen Laserwelle fest (siehe Hintergrund: Wie Licht Teilchen einfängt). "Ein Ion mit dem relativ schwachen elektromagnetischen Feld des Lichts dauerhaft festzuhalten, ist schwierig, weil es wegen seiner Ladung sehr empfindlich auf Störfelder reagiert, die es überall gibt", sagt Christian Schneider, der Erstautor der Publikation. Sie wirken wie die Strömung, die ein Schiff erfasst. Nur wenn das Wasser still genug steht, hält der Anker eines kleinen Bötchens auch einen Tanker.

Ungeladene Atome fangen Physiker dagegen schon länger mit Lasern. Atome alleine eignen sich für quantenchemische Untersuchungen aber sehr viel weniger, weil die Effekte zwischen ihnen nur bei extrem hohem Druck und den damit verbundenen kleinen Abständen messbar werden. Solche Distanzen erreichen Physiker selbst mit Laser-Pinzetten derzeit nicht. Ionen in Radiofrequenzfallen wiederum sind zwar extrem kalt, bewegen sich aber doch. Nur nicht zufällig, also thermisch. Vielmehr lässt das Radiofeld sie im Gleichtakt schwingen. Für die meisten Experimente spielt diese Bewegung im Gleichtakt keine Rolle. Sehr wohl aber, wenn sie mit Atomen zusammengebracht werden, die nicht schaukeln. Der Tunnel-Prozess ist dann jedenfalls nicht mehr möglich.

"Jetzt können wir aber im Prinzip ein Atom und ein Ion mit derselben Laser-Pinzette greifen und einander so annähern, dass Elektronen zwischen ihnen tunneln - wenn sie es können", sagt Tobias Schätz. "Allerdings müssen wir unsere Apparatur dafür noch um die neutralen Atome erweitern." Dafür gibt es jedoch bereits gängige Methoden."

Die Forscher um Tobias Schätz hoffen zudem, dass von Laserstrahlen in der Schwebe gehaltene Ionen auch auf einem anderen Gebiet Vorteile bringen werden. Sie könnten ihnen nämlich helfen, mit diesen gut verstandenen Quantensystemen unbekannte Quantensysteme wie magnetische oder supraleitende Stoffe experimentell zu simulieren. Und in noch fernerer Zukunft könnten sie als Datenträger in einem universellen Quantencomputer dienen.

Erste experimentelle Quantensimulationen - quasi die vereinfachte Version eines Quantencomputers - machte das Team von Tobias Schätz erstmals im Jahr 2008, inzwischen gefolgt von mehreren anderen Forschergruppen weltweit. Wieder andere Forschergruppen setzen auf Atome, die sie in einem optischen Gitter - einer Art Eierkarton aus geschickt überlagerten Laserwellen - festhalten.

"Nun können wir die Vorteile beider Ansätze kombinieren", sagt Tobias Schätz. Ionen wechselwirken über ihre Ladung miteinander, und zwar ziemlich stark. Deshalb können sie das Zusammenspiel von Atomen in festen Stoffen sehr gut nachahmen, aber auch als Schaltelemente in einem Quantenprozessor miteinander kommunizieren. "Wenn wir Ionen und Atome gleichzeitig für eine Simulation benutzen, können wir auch Prozesse untersuchen, die sich mit Atomen oder Ionen alleine nur viel schwieriger oder überhaupt nicht imitieren lassen", sagt Tobias Schätz und denkt dabei etwa an die Dynamik von Defekten in einem Kristallgitter.

Bislang mussten Ionen allerdings eng von vier Radiofrequenz-Elektroden eingeschlossen sein. Eine Kette aus Ionen können Physiker zwischen den Elektroden zwar legen. Es fiele ihnen aber schwer, mit den geladenen Teilchen eine Schicht oder gar einen dreidimensionalen Kristall zu konstruieren, der Quantensimulationen erlauben würde. Auch die Kombination von Ionen mit optisch fixierten Atomen ist so kaum möglich.

"Mehrdimensionale Strukturen bekommen wir mit Teilchen in optischen Gittern fast umsonst", sagt Tobias Schätz. Und künftig vielleicht nicht nur mit Atomen, sondern auch mit Ionen. Bis es so weit ist, müssen die Forscher allerdings noch einige praktische Probleme lösen. Denn Ionen lassen sich nicht auf dieselbe Weise wie Atome mit Lasern fangen.

"Wir müssen die Ionen zunächst in Radiofrequenzfeldern fangen und kühlen, also bremsen, um dann die Störfelder zu kompensieren", erklärt Christian Schneider. Mit einem Prüflaser verfolgen er und seine Kollegen dabei die Bewegung des Teilchens und wirken ihr mit zusätzlichen Kontrollfeldern in Echtzeit entgegen. "Die Elektroden, die wir dafür brauchen, dürfen anders als in einer herkömmlichen Ionenfalle auch einen großen Abstand zu den Ionen besitzen", erklärt Schneider. Das sollte den Physikern im Prinzip erlauben, Sreufelder im gesamten Gitter ausreichend zu kompensieren und viele Ionen in zwei oder drei Dimensionen optisch einzusperren. "Wir sind aber zuversichtlich, dass wir mit unserer Arbeit ein neues Gebiet der Quantenphysik erschließen", sagt Tobias Schätz.

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Hintergrund: Wie Licht Teilchen einfängt

Dass ein Atom oder ein Ion im Tal einer Lichtwelle liegt wie ein Ball, der in eine Mulde gerollt ist, vermittelt ein hilfreiches Bild, aber auch ein ziemlich einfaches. Tatsächlich nutzen Physiker aus, dass Licht delikate Wirkungen auf Materie ausübt - wenn sie die Farbe des Lichts raffiniert wählen. Sie muss nämlich einer Energie entsprechen, die etwas kleiner ist als der Energieunterschied zwischen zwei ausgewählten Energieniveaus, auf denen sich ein Elektron des Atoms tummeln kann.

Entspräche die Lichtenergie genau diese Differenz, würde das Licht Elektronen zwischen den Niveaus hin und her befördern. Da sie etwas kleiner ist, tut sie das so gut wie nicht. Doch das Licht vergrößert den Abstand zwischen den beiden Niveaus etwas: Das elektromagnetische Feld des Lasers überlagert sich dem elektrischen Feld zwischen Atomkern und Elektron und verändert es ein wenig - es senkt das untere Niveau ab, während das obere angehoben wird.

Da die Natur immer möglichst viel Energie sparen möchte, halten sich die Elektronen dann bevorzugt dort auf, wo der Laser die Energie am stärksten reduziert hat. Das ist genau im Brennpunkt eines gebündelten Lasers der Fall. Die Energie wird nämlich dort am stärksten abgesenkt, wo der Laser am intensivsten ist.

Das an das Atom gebundene Elektron, das in den Brennpunkt des Lasers gezogen wird, schleppt nun das ganze Atom oder Ion mit, obwohl die Masse des Elektrons, verglichen mit der des restlichen Teilchens, verschwindend gering ist. Das erklärt auch, warum die Teilchen aus einer Lichtfalle leichter entwischen. Und warum Ionen sehr gut gegen die Anziehung von Störfeldern abgeschirmt werden müssen.

Allerdings kann sich ein Ion im Tal einer Radiowelle stärker bewegen als im Tal einer ultravioletten Lichtwelle. Die Flanken beider Täler sind etwa gleich steil. Das bedeutet, solange sich ein Teilchen im Wirkungsbereich des kleinen Laserfokus aufhält, wird es genauso fest gehalten. Doch das Tal eine Laserwelle ist längst nicht so tief wie das Tal einer Radiowelle. Daher schmeißt jeder Stoß, der die Kraft im Lasertal überwindet, das Ion jedoch gleich aus der flachen optischen Falle heraus. In einer Radiofalle wird es zwar ebenfalls verschoben, bleibt aber wegen der größeren räumlichen Ausdehnung dieser Falle noch in deren Fangbereich. Der setzt dem Teilchen dann bei noch größeren Auslenkungen sogar stärkere Gegenkräfte entgegen.