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Atom als Lichtdimmer

Physiker der Universität Bonn habe eine Art “Lichtdimmer” entwickelt, der aus einem einzigen Atom besteht. Bedient wird er über einen Laserstrahl. Möglicherweise kommen ähnliche Bauelemente künftig in der Quantenkommunikation zum Einsatz. Die Forscher berichten in der kommenden Ausgabe des Fachblatts “Physical Review Letters” über ihre Ergebnisse (http://arxiv.org/abs/1004.5348).

Eine der großen Attraktionen in Deutschlands Vorzeige-Schnellzug, dem ICE-3, ist die Glaswand zwischen Führerstand und Lounge: Sie ist normalerweise klar. Ein Knopfdruck reicht jedoch, und sie verwandelt sich – Abrakadabra – von jetzt auf gleich in undurchsichtiges Milchglas.

Quantenphysiker der Universität Bonn beherrschen einen ähnlichen Zaubertrick. Mit einem Unterschied: Sie arbeiten mit einzelnen Caesium-Atomen, die sie auf Wunsch “transparent” oder mehr oder weniger “undurchsichtig” machen.

Für ihr nun publiziertes Experiment nutzten die Forscher um Professor Dr. Dieter Meschede gewölbte Spiegel mit extrem hohem Reflexionsvermögen. Sie richteten die Spiegelflächen so aus, dass sie zueinander zeigten. Ein Lichtstrahl kann so viele hunderttausend Mal zwischen den Spiegeln hin- und hergeworfen werden.

In diesem “Lichtkäfig” platzierten sie nun ein einzelnes Caesium-Atom. Mit einem von der Seite eingestrahlten Steuerlaser veränderten sie dann ganz gezielt die Eigenschaften dieses Atoms. So konnten sie beispielsweise erreichen, dass es das Licht im Käfig passieren ließ, es abschwächte oder gar ganz abblockte – ähnlich wie ein Dimmer.

Das man Caesium als reinen An- und Ausschalter nutzen kann, haben die Bonner Forscher bereits vor einem Jahr zeigen können (siehe auch www.uni-bonn.de/Pressemitteilungen/280-2009). “Jetzt können wir aber die Eigenschaften des Atoms mit unserem Steuerlaser genau so verändern, wie wir es wollen”, sagt Tobias Kampschulte vom Bonner Institut für Angewandte Physik.

Besonders freuen sich die Forscher über einen unerwarteten Effekt ihrer Versuchsanordnung: Caesium-Atome sind bei Zimmertemperatur recht quirlige Gesellen. Um sie gezielt manipulieren zu können, kühlen die Forscher die Atome daher ab, bis sie sich kaum noch bewegen. Dann greifen sie sie mit einer Art Pinzette aus Licht und halten sie am gewünschten Ort fest. Doch auch gekühlt sind die Atome noch so zappelig, dass sie sich im Schnitt nur eine knappe Sekunde festhalten lassen. Dann nehmen sie Reißaus.

Im optischen Käfig sitzt das Caesium unter dem Einfluss des Steuerlasers jedoch viel länger still – durchschnittlich 16 Sekunden. Damit bleibt den Physikern entsprechend mehr Zeit für ihre Experimente. “Unsere Versuchsanordnung scheint die Caesium-Atome weiter zu kühlen und damit länger festzuhalten”, erklärt Kampschulte. “Warum das so ist, wissen wir allerdings noch nicht genau.” (Uni Bonn)