von DIRK EIDEMÜLLER
Als der Nobelpreis für Physik des Jahres 1997 vergeben wurde, vermochten sich vermutlich weder die Preisträger noch die Jury vorzustellen, wozu die preisgekrönte Arbeit eines Tages gut sein könnte. Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William D. Phillips erhielten die Auszeichnung damals „für das Einfangen und Kühlen von Atomen mithilfe von Laserstrahlung“, wie die offizielle Begründung lautete. Diese auch „optische Fallen“ genannten Anordnungen ermöglichen einzigartige Experimente in der Quantenphysik. Sie sind mittlerweile Standard in zahlreichen Labors rund um die Welt.
Während die ursprünglichen Arbeiten – und auch die meisten heutigen Experimente – auf die Kontrolle einzelner oder weniger Atome abzielen, gibt es auch die Möglichkeit, ein ganzes Gitter aus Laserstrahlen aufzuspannen und dort auf jedem der Hunderte Plätze ein Atom festzuhalten. „Wir sprechen dann von einem zweidimensionalen Register optischer Fallen“, sagt Gerhard Birkl. „Darin liegen dann die Atome ähnlich wie die Eier in einem Eierkarton“, beschreibt es der Physikprofessor an der Technischen Universität Darmstadt.
Der Vorteil von derartigen optischen Fallenregistern ist es, dass die Atome isoliert und freischwebend festgehalten werden, sodass man sie unter sehr gut kontrollierten Bedingungen manipulieren kann. Mit einem solchen Atomgitter lassen sich unterschiedliche Dinge anstellen. So hat das Team um Birkl nun erstmals ein zweidimensionales, freischwebendes Atomgitter in optischen Fallen als Magnetfeldsensor einsetzen können. Bereits 2023 hatten die Forscher einen Rekord gebrochen: Es war ihnen gelungen, mehr als 1.000 Rubidium-Atome in einem solchen Gitter einzusperren. Da Rubidium-Atome als Quantenbits dienen können, wären solche Atomgitter hochinteressante Komponenten für den Bau von Quantencomputern.
„Diese Arbeit rief weltweit einige Resonanz hervor, weil es sich bislang als sehr schwierig erwiesen hat, Quantencomputer mit mehr als ein paar Hundert Quantenbits zu bauen“, erzählt Birkl. „Mit unserer Fallenarchitektur haben wir einen Weg hin zu Quantenspeichern mit deutlich mehr Quantenbits aufgezeigt.“ Allerdings ließen sich die Atome noch nicht so miteinander verschalten, wie man das für einen Quantenspeicher braucht. „Wir wollen diese Arbeit weiterverfolgen, haben aber erkannt, dass man solche Atomgitter auch für ganz andere Zwecke nutzen kann.“
Multifunktionale Atomgitter
Ein technologisch besonders interessantes Gebiet ist die Sensorik. Mithilfe von eng aneinander liegenden Atomen könnte man Magnetfelder mit einzigartiger räumlicher Präzision ausmessen. „Es ist uns nun gelungen, unser Atomgitter umzufunktionieren, sodass es nicht nur als Register für Quantenbits dienen kann, sondern auch als Magnetometer“, sagt Birkl.
