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Entlang einer sehr dünnen Glasfaser lassen sich einzelne Atome fangen © Mathieu L. Juan
Entlang einer sehr dünnen Glasfaser lassen sich einzelne Atome fangen © Mathieu L. Juan

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Vibrierende Fallen heizen Atomen ein und stören Quantentechnologien

19.11.2019

Für Quantenexperimente bzw. -technologien müssen Quantensysteme, etwa einzelne Atome, kontrolliert werden. Das geht beispielsweise mit nanooptischen Fallen. Diese haben aber das Manko, dass sie gefangen gehaltene Atome stark aufheizen und diese dadurch verlieren. Innsbrucker Physiker berichten nun im Fachblatt "Physical Review X", dass mechanische Vibrationen der Fallen dafür verantwortlich sind.

Nanooptische Fallen bestehen aus Lichtleitern, die nur wenige Hundert Nanometer dünn sind, also rund 100-mal dünner als ein menschliches Haar. Schickt man in solche Glasfasern Laserlicht unterschiedlicher Frequenz, entsteht ein über den Lichtleiter hinausragendes Lichtfeld, in dem einzelne Atome festgehalten werden können.

Die Methode hat allerdings einen entscheidenden Nachteil: Derart festgehaltene Atome heizen sich in kurzer Zeit rasch auf und können so der Falle entfliehen. Die Ursache dafür war bisher unbekannt.

Theoretisches Modell entwickelt

Wissenschafter des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck haben nun mit Kollegen von der Humboldt-Universität Berlin ein theoretisches Modell des Systems entwickelt. Sie konnten damit zeigen, dass eine bestimmte Form mechanischer Vibrationen der Glasfaser für die starke Erhitzung der Teilchen verantwortlich ist.

"Es handelt sich hier um Schwingungen wie sie entstehen, wenn man in ein Seil Wellen schlägt", erklärte Daniel Hümmer vom IQOQI. Diese Vibrationen heizen die rund 200 Nanometer über der Oberfläche der Glasfaser schwebenden Atome sehr rasch auf. Die von den Physikern theoretisch ermittelte Aufheizrate stimmt sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.

Durch das neue theoretische Modell lässt sich das Design solcher Atomfallen verbessern. Komplexere Experimente und Anwendungen könnten dadurch möglich werden.

Service: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.9.041034

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