Forscher auf der Jagd nach einzelnen Photonen

Licht als Dipol-Donut verpackt für Atome

Und wie leuchtet ein freies, unbeeinflusstes Atom? Treffen die Vorhersagen der Physik zu? Das will das zweite Max-Planck-Team um Gerd Leuchs ganz direkt beobachten. Leuchs ist Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen und Physikprofessor an der Universität Erlangen. Dort an der Uni feilt das von Markus Sondermann geleitete Team an einem Experiment mit dem Namen 4piPAC. Es soll einerseits den gesamten Raum rund um ein Atom herum erfassen – daher der Namensteil „4pi“. Denn die Zahl 4p entspricht dem vollen dreidimensionalen Raumwinkel, der das Atom wie eine Kugel umschließt. Andererseits soll die „Kopplung“ eines Photons an ein Atom untersucht werden. Genau das passiert, wenn ein Atom ein Photon aussendet oder aufnimmt. „PAC“ steht daher für das englische Photon Atom Coupling.

<p class="Default"><strong>Abb. C:</strong></p>
<p class="Default">Im sichtbaren Licht leuchten Atome vor allem als &bdquo;Dipol&ldquo;. Das Strahlungsfeld entspricht einer zweipoligen Stabantenne (gelber Doppelpfeil) und erinnert in seiner Form an einen Donut. Die Detektion eines abgestrahlten Photons ist am wahrscheinlichsten in den Richtungen, wo der Donut am dicksten ist.</p> Bild vergrößern

Abb. C:

Im sichtbaren Licht leuchten Atome vor allem als „Dipol“. Das Strahlungsfeld entspricht einer zweipoligen Stabantenne (gelber Doppelpfeil) und erinnert in seiner Form an einen Donut. Die Detektion eines abgestrahlten Photons ist am wahrscheinlichsten in den Richtungen, wo der Donut am dicksten ist.

4piPAC soll das Verhalten eines Atoms als „Lichtantenne“ genau vermessen. Im Normalfall sollte es sich nach der Physik fast wie eine stabförmige Antenne verhalten. In einer solchen Antenne schwingen die Elektronen von einem Ende zum anderen, wenn sie eine elektromagnetische Welle empfangen oder aussenden – so wie eine Boje auf einer Wasserwelle auf und ab tanzt. Wegen der zwei Enden (Pole) heißt eine solche Antenne Dipol. „Im Atom sind Dipol-Übergänge am strahlungsstärksten“, erklärt Sondermann. Das Wort „Übergang“ beschreibt, dass das Elektron dabei zwischen zwei Quantenzuständen wechselt. Das unterscheidet Atome von großen Antennen.

Das Experiment ist noch im Aufbau. Technisch ist es eine gewaltige Herausforderung. Die Form des atomaren Dipol-Strahlungsfelds erinnert an einen Donut (Abb. C). Die Wahrscheinlichkeit, dass das Atom ein Photon entlang seiner Dipolachse aussendet, also dort wo der Donut ein Loch hat, ist nahezu Null. Senkrecht dazu ist sie aber am größten. In dieser Hinsicht verhält sich das Atom wie eine stabförmige Radioantenne. Die Herausforderung: Wie kann man sein Abstrahlverhalten möglichst lückenlos erfassen? Die Erlanger haben sich entschlossen, den Film sozusagen rückwärts laufen zu lassen: Das Atom soll gut kontrolliert ein Photon aufnehmen, anstatt es abzustrahlen. Nach der Quantenmechanik ist dieser zeitumgekehrte Vorgang gleichwertig, bietet aber technische Vorteile.

<p class="Default"><strong>Abb. D:</strong><strong> Wie man leuchtende Atome vermisst <br /></strong></p>
<p class="Default">Querschnitt durch das 4piPAC-Experiment: Der Parabolspiegel ist präzise aus Aluminium gefräst. Seine Öffnung hat zwei Zentimeter Durchmesser. Der Brennpunkt, in dem das Atom gefangen ist, befindet sich zwei Millimeter über dem tiefsten Punkt. Von oben trifft das Laserlicht (rot) in den Parabolspiegel. Der Spiegel reflektiert die ebenen Wellen so, dass sie als Kugelwellen im Brennpunkt zusammenlaufen (rote Pfeile). Dort ist das Atom (grün, Dipolfeld schwarz) gefangen, das ein Photon aufnehmen soll. Die Geometrie ist mit einer Lampe in einem Autoscheinwerfer vergleichbar. Der Spiegel hat unten drei Öffnungen: Durch die rechte Öffnung wird das anfangs elektrisch neutrale Atom in die Falle geladen; durch die linke strahlen Laser (gelb), die dem Atom ein Elektron wegschlagen und das so entstandene Ion kühlen. Anders als die Garchinger setzen die Erlanger auf elektrisch geladene Atome. Zum Beispiel ein Ytterbium-Atom, dem sie ein bis zwei Elektronen wegschießen. Diese „Ionen“ lassen sich nämlich mit elektrischen Kräften gefangen halten. Dafür sorgt eine sogenannte Paul-Falle, deren Elektroden in der mittleren Öffnung stecken.</p> Bild vergrößern

Abb. D: Wie man leuchtende Atome vermisst

Querschnitt durch das 4piPAC-Experiment: Der Parabolspiegel ist präzise aus Aluminium gefräst. Seine Öffnung hat zwei Zentimeter Durchmesser. Der Brennpunkt, in dem das Atom gefangen ist, befindet sich zwei Millimeter über dem tiefsten Punkt. Von oben trifft das Laserlicht (rot) in den Parabolspiegel. Der Spiegel reflektiert die ebenen Wellen so, dass sie als Kugelwellen im Brennpunkt zusammenlaufen (rote Pfeile). Dort ist das Atom (grün, Dipolfeld schwarz) gefangen, das ein Photon aufnehmen soll. Die Geometrie ist mit einer Lampe in einem Autoscheinwerfer vergleichbar. Der Spiegel hat unten drei Öffnungen: Durch die rechte Öffnung wird das anfangs elektrisch neutrale Atom in die Falle geladen; durch die linke strahlen Laser (gelb), die dem Atom ein Elektron wegschlagen und das so entstandene Ion kühlen. Anders als die Garchinger setzen die Erlanger auf elektrisch geladene Atome. Zum Beispiel ein Ytterbium-Atom, dem sie ein bis zwei Elektronen wegschießen. Diese „Ionen“ lassen sich nämlich mit elektrischen Kräften gefangen halten. Dafür sorgt eine sogenannte Paul-Falle, deren Elektroden in der mittleren Öffnung stecken.

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4piPAC soll daher eine kugelförmige Lichtwelle in dem Punkt zusammenlaufen lassen, in dem das Atom gefangen ist. Wichtig ist dabei, dass die Lichtwelle so gut wie möglich dem „Dipol-Donut“ ähnelt, mit dem das Atom ein Photon abstrahlt. Dabei wollen die Physiker beobachten, wie das Atom das Photon empfängt. Allerdings müssen sie dazu erst einmal eine kugelförmige Welle herstellen, die „falsch herum“ in ihren Ursprung zusammenläuft. „Dazu setzen wir das Atom in einen parabolförmigen Spiegel“, erklärt Leuchs. Die Parabelform ist der Trick. In diesen „Trichter“ schicken die Erlanger einen Laserstrahl mit ebenen Wellenfronten hinein. Nach der Reflexion an den Parabelwänden formen diese eine Kugelwelle, die im Brennpunkt des Spiegels zusammenläuft (Abb. D). Dort muss das Atom sitzen. Bis das anspruchsvolle Experiment der Erlanger wunschgemäß läuft, wird es noch dauern – Grundlagenforschung ist oft ein Marathonlauf. Aber die Geschichte zeigt: Die Wechselwirkung von Licht und Materie hat die Physik immer wieder revolutioniert. Das erwarten die Forscher auch für die Zukunft.

TECHMAX Ausgabe 22, Frühjahr 2016; Redaktion: Christina Beck, Autor: Roland Wengenmayr

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