Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 17.04.2015

Nur halb so viel Kraft nötig wie theoretisch gedacht

Forscher der Universität Regensburg haben ein interessantes Phänomen aus der Welt der Quantenphysik entdeckt: Um ein Kohlenmonoxidmolekül auf einer Oberfläche seitlich zu verschieben, ist nur halb so viel Kraft erforderlich, wie theoretisch zu erwarten wäre. Ein Team um Prof. Dr. Franz J. Gießibl vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik machte diese Beobachtung bei Versuchen mit einem Rasterkraftmikroskop, welches in einem Vakuum bei minus 266 Grad Celsius arbeitet – nahe am absoluten Temperaturnullpunkt. Die Ergebnisse der Wissenschaftler sind vor wenigen Tagen in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen (DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.146101).

Beim Anblick der Pyramiden von Gizeh stellt sich eine gewichtige Frage: Wie brachten die Bauarbeiter des Altertums die gigantischen Kräfte auf, um die tonnenschweren Steinblöcke zu bewegen? Dem gegenüber sind die Kräfte, die in der Quantenwelt wirken, ungleich kleiner. Allerdings ist es genauso schwierig, hinter ihr Geheimnis zu kommen. Vor einem Vierteljahrhundert gelang Donald Eigler und Erhard Schweizer vom IBM Forschungslabor San Jose in Kalifornien zwar ein „Bauprojekt“ auf kleinstmöglicher Skala: Die beiden Wissenschaftler schrieben I-B-M mit Buchstaben aus einzelnen Atomen des Edelgases Xenon. Aber erst 2008 konnten sie gemeinsam mit Gießibl die winzigen Kräfte messen, die beim Verschieben der einzelnen Atome wirken. Ein Durchbruch, der auch zu neuen theoretischen Überlegungen zu den Kräfteverhältnissen in der Quantenwelt führte.

Dass weiterhin ein gravierender Unterschied zwischen Theorie und Praxis besteht, konnte jetzt Matthias Emmrich mit Kollegen zeigen. Das Team an der Universität Regensburg untersuchte die Kräfte, die wirken, wenn man einzelne Kohlenmonoxidmoleküle auf einer Kupferoberfläche verschiebt. Die Forscher stellten dabei fest, dass nur halb so viel Kraft nötig ist, wie die theoretischen Berechnungen vorab erwarten ließen. Zum Vergleich: Das wäre in etwa so, als würde ein Ziegelstein die Hälfte seines Gewichts verlieren, wenn sich ein Bauarbeiter nähert.

Ein Kohlenmonoxidmolekül auf einer Kupferoberfläche kann man sich vorstellen wie ein Ei in einem Eierkarton. Um es hier von einer Vertiefung in eine benachbarte zu verschieben, ist eine bestimmte Kraft erforderlich. In der Welt der Atome und Quanten scheinen die Vertiefungen des Eierkartons allerdings „flacher“ zu werden, sobald sich die Abtastspitze des Mikroskops nähert. Zudem spielt das Kraftprofil der Spitze eine wesentliche Rolle für ihre Eignung für atomare Bauprojekte. Das Team konnte nachweisen, dass die Moleküle nur mit relativ symmetrischen Spitzen in alle Richtungen verschoben werden kann. Bei anderen Mikroskop-Spitzen ergeben sich nur einzelne Vorzugsrichtungen. (Alexander Schlaak)

Titel der Original-Veröffentlichung:
Matthias Emmrich, Maximilian Schneiderbauer, Ferdinand Huber, Alfred J. Weymouth, Norio Okabayashi, and Franz J. Giessibl: Force Field Analysis Suggests a Lowering of Diffusion Barriers in Atomic Manipulation Due to Presence of STM Tip, in Physical Review Letters 114, 146101 (2015).

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Presseaussendung der TU Wien vom 09.04.2015

Ein wichtiger Schritt für die Quanten-Datenübertragung gelang an der TU Wien: Photonen in einer Glasfaser können durch Atome auf die Geschwindigkeit eines Schnellzugs abgebremst und für kurze Zeit sogar gestoppt werden.

Licht ist ein sehr nützliches Instrument für die Quantenkommunikation, doch es hat einen entscheidenden Nachteil: Es bewegt sich normalerweise mit Lichtgeschwindigkeit und kann nicht festgehalten werden. Ein Forschungsteam der TU Wien hat nun gezeigt, dass sich dieses Problem beheben lässt – und zwar nicht bloß in exotischen Quantensystemen, sondern in den bereits existierenden Glasfasernetzwerken.

Durch die geschickte Kopplung von Atomen an die Glasfaser konnte das Licht auf 180 km/h verlangsamt werden. Es gelang sogar, das Licht für kurze Zeit komplett anzuhalten und dann wieder abzurufen. Diese Technik ist eine wichtige Voraussetzung für ein zukünftiges Glasfaser-basiertes Quanten-Internet, in dem man Quanten-Information über große Distanzen teleportieren kann.

Lichtpulse, langsamer als ein Schnellzug

Im freien Raum ist die Lichtgeschwindigkeit immer gleich groß – ungefähr 300 Millionen Meter pro Sekunde. Schickt man Licht durch ein Medium wie Glas oder Wasser, wird es durch seine Wechselwirkung mit dem Medium allerdings ein bisschen abgebremst. „Bei unserem System ist dieser Effekt extrem, weil wir gezielt eine äußerst starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erzeugen“, sagt Prof. Arno Rauschenbeutel (Atominstitut der TU Wien / Vienna Center for Quantum Science and Technology). „Die Geschwindigkeit des Lichts in unserer atombesetzten Glasfaser beträgt bloß 180 km/h – der Railjet der Österreichischen Bundesbahn ist schneller.“

Quantenkommunikation im bestehenden Glasfaser-Netz

„Es gibt heute verschiedene Ansätze, Information quantenphysikalisch zu übertragen“, sagt Dr. Clément Sayrin (ebenfalls TU Wien). „Glasfasern sind eine technologisch besonders interessante Variante – schließlich gibt es bereits ein weltweites Glasfasernetz, über das wir täglich Daten austauschen.“ An der TU Wien wurden Cäsium-Atome an eine ultradünne Glasfaser gekoppelt. Wenn das Atom das Licht eines Lasers absorbiert, kann es von einem Zustand niedriger Energie in einen Zustand höherer Energie übergehen – vorausgesetzt, die Energie des absorbierten Photons entspricht der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen. Das Problem ist dabei allerdings, dass auf diese Weise „gespeichertes“ Licht nicht kontrolliert wieder abgerufen werden kann.

Im Experiment wurde deswegen zusätzlich noch ein Kontroll-Laser verwendet, der den Zustand höherer Energie an einen dritten Atomzustand koppelt. „Durch das Zusammenspiel dieser drei Zustände kann man erreichen, dass ein Photon nicht mehr wie sonst einfach absorbiert und dann später zufällig wieder ausgesandt wird. Stattdessen wird die Information des Photons kontrolliert auf ein Ensemble von Atomen übertragen und für definierte Zeit festgehalten.“ Aus dem Lichtteilchen wird so eine kollektive Anregung von Atomen.

Nach zwei Mikrosekunden, einer Zeitspanne in der das Licht sonst bereits ungefähr einen halben Kilometer zurückgelegt hätte, wurden im Experiment die Atome mit Hilfe des Kontroll-Lasers dazu gebracht, das gespeicherte Licht wieder zurück in die Glasfaser zu senden. Die Eigenschaften der Photonen bleiben bei diesem Verfahren erhalten – eine wichtige Voraussetzung für die Quantenkommunikation.

Information von Lichtteilchen zu speichern ist ein wichtiger technologischer Schritt auf dem Weg zur Quanten-Kommunikation über große Distanzen. „Quantenphysikalisch kann man eine Verbindung zwischen Sender und Empfänger herstellen, die von außen nicht abgehört werden kann“, erklärt Arno Rauschenbeutel. „Die grundlegenden Gesetze der Quantenphysik verhindern, dass irgendjemand in diese Verbindung eingreift, ohne dass die beiden beteiligten Personen das bemerken.“ (Florian Aigner)

Publikation:
C. Sayrin, C. Clausen, B. Albrecht, P. Schneeweiss, A. Rauschenbeutel, Storage of fiber-guided light in a nanofiber-trapped ensemble of cold atoms, Optica.

Externer Link: www.tuwien.ac.at