Die Anwesenheit eines einzelenen Ions in einer ultrakalten Gaswolke beeinflusst die Erzeugung eines Rydberg-Atoms in seiner Umgebung.

9. November 2018

Atomare Riesen als Sensor für einzelnes Ion

Stuttgart, 9.11.2018 - Ist es möglich mit einem einzigen Atom die Bewegung eines einzelnen geladenen Ions zu detektieren? Ein Team von Experimentalphysikern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart hat sich diese Frage gestellt und Antworten in ihren Experimenten mit ultrakalten Atomwolken gefunden. Die Ergebnisse könnten in Zukunft dazu dienen, den Transport von geladenen Teilchen durch Quantenmaterie zu beobachten. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im Fachjournal Physical Review Letters.
[Bild: Celina Brandes]

In ihren Experimenten machten sich die Experimentalphysiker die Eigenschaften von Rydberg-Atomen zu Nutze. In Rydberg-Atomen befindet sich das äußerste Elektron auf einem hoch angeregten und räumlich weit ausgedehnten Orbit. Die extreme Empfindlichkeit dieses Elektrons macht die atomaren Riesen zu wahren Einzelgängern, die nur gleichzeitig erzeugt werden können, wenn sie weit genug voneinander entfernt sind. Diese sogenannte Rydberg-Blockade ist derzeit ein wichtiger Baustein zur Realisierung von Quantensimulatoren. Noch sensitiver reagieren Rydberg-Atome, wenn sich ein geladenes Ion in ihrer unmittelbaren Umgebung befindet. Die resultierende Ionen-induzierte Rydberg-Blockade konnte nun im Stuttgarter Experiment erstmals beobachtet werden.

„Unser Ion erzeugen wir mit einer Folge von Laserpulsen direkt aus einer ultrakalten Gaswolke“ erklärt Felix Engel, Doktorand am 5. Physikalischen Institut, und fügt hinzu: „Damit ist das Ion gleich nach der Erzeugung sehr langsam. Wir konnten es nun mit kleinsten elektrischen Feldern sehr präzise vom Ort seiner Erzeugung wegführen.“  Im Experiment untersuchten die Forscher mit einem weiteren Laserpuls, ob es möglich ist, am Erzeugungsort des Ions ein weiteres Atom aus der Gaswolke in einen Rydberg-Zustand zu überführen. Erst als das Ion weit genug entfernt war, gelang die Erzeugung des Rydberg-Atoms. So konnte genau vermessen werden, dass das Rydberg-Atom mit dem Ion sogar noch über eine Distanz von mehr als 20 μm wechselwirkt und somit als Sensor für dessen Aufenthaltsort dient.

Das Team plant die beobachtete Ionen-induzierte Rydberg-Blockade in zukünftigen Experimenten einzusetzen, um die Transportdynamik einzelner Ionen durch Quantenmaterie, wie zum Beispiel ein Bose-Einstein Kondensat, zu studieren. Darüber hinaus könnte die zugrundeliegende Wechselwirkung auch dazu dienen, chemische Reaktionen von Ionen in ultrakalten Gasen zu kontrollieren.

Die Anwesenheit eines einzelenen Ions in einer ultrakalten Gaswolke beeinflusst die Erzeugung eines Rydberg-Atoms in seiner Umgebung. Celina Brandes
Die Anwesenheit eines einzelenen Ions in einer ultrakalten Gaswolke beeinflusst die Erzeugung eines Rydberg-Atoms in seiner Umgebung.
[Bild: Celina Brandes]

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