Neue Methode lokalisiert die 3D-Position kalter Atome in einem Gitter – Physics World

Eine neue Bildgebungstechnik liefert Wissenschaftlern erstmals die 3D-Position einzelner Atome innerhalb eines optischen Gitters und übertrifft damit frühere Methoden, die nur 2D-Bilder liefern. Die von einem Team der Universität Bonn (Deutschland) und der University of Bristol (Großbritannien) entwickelte Technik könnte die Präzision atombasierter Quantensimulatoren verbessern und die Entwicklung neuer Quantenmaterialien unterstützen.

„Wir sind jetzt in der Lage, einen einzigen Schnappschuss der Atome in einem optischen Gitter zu machen und genau zu sehen, wo sie sich in allen drei Dimensionen befinden“, erklären wir Carrie Weidner und Andrea Alberti, der die Entwicklung der Technik mit leitete. „Frühere optische Nachweistechniken beschränkten sich darauf, ‚flache‘ Bilder der Atome zu machen, aber Atome leben nicht in einer flachen Welt.“

Experimente an Atomen in optischen Gittern beginnen typischerweise mit der Verwendung von Laserlicht, um die Atome auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. Dadurch werden sie fast zum Stillstand gebracht und können in einer stehenden Laserlichtwelle – dem Gitter – gefangen werden. Sobald die Atome eingefangen sind, werden sie einem zusätzlichen Laserlichtstrahl ausgesetzt, der sie zum Fluoreszieren bringt. Durch die Abbildung dieser Fluoreszenz können Forscher die Position der Atome bestimmen.

Dieses bildgebende Verfahren ist als Quantengasmikroskopie bekannt und wurde vor mehr als einem Jahrzehnt von Physikern entwickelt Harvard University in den USA und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Deutschland. Die Standardmethode liefert jedoch nur die x- und y-Koordinaten jedes Atoms. Informationen über die Position der Atome in z-Richtung, also ihren Abstand vom Objektiv innerhalb des Abbildungssystems, fehlten.

Phasenwechsel

Die neue Methode schafft Abhilfe, indem sie das von den fluoreszierenden Atomen emittierte Licht modifiziert, bevor es eine Kamera erreicht. Genauer gesagt ändert die Methode die Phase des emittierten Lichtfelds, sodass das Atombild sich im Raum als Funktion seiner Position entlang der Sichtlinie des Bildgebungssystems zu drehen scheint.

„Anstelle der typischen runden Flecken, die normalerweise in der Quantengasmikroskopie entstehen, erzeugt die deformierte Wellenfront auf der Kamera eine Hantelform, die sich um sich selbst dreht“, erklärt Alberti. „Die Richtung, in die diese Hantel zeigt, hängt von der Distanz ab, die das Licht vom Atom bis zur Kamera zurücklegen musste.“

Die Hantel verhält sich somit ein bisschen wie die Nadel eines Kompasses, sodass Forscher anhand ihrer Ausrichtung die Z-Koordinate ablesen können, fügt er hinzu Dieter Meschede, der das Bonner Labor leitet wo die Experimente stattfanden.

Eine Idee mit langer Geschichte

Laut Weidner entstand die ursprüngliche Idee für die Studie Wilhelm Mörner und Rafael Piestun an den Universitäten von Stanford und Colorados, jeweils. Alberti fügt hinzu, dass es „faszinierend“ sei, dass bisher niemand auf die Idee gekommen sei, die Phase des Lichtfeldes zu nutzen, um Informationen über die z-Position des lichtemittierenden Teilchens zu erhalten. Die Steuerung der Phase des Lichtfeldes sei sicherlich nicht neu, sagt er.

„Es hat tatsächlich eine lange Geschichte: Um scharfe (und nicht verschwommene) Bilder zu erhalten, sind alle gut konzipierten Bildgebungssysteme so konstruiert, dass sie die Phase aller Lichtstrahlen, die die Kameraoberfläche (oder die Netzhaut in unseren Augen) erreichen, anpassen dasselbe – das ist das berühmte Fermat-Prinzip“, erklärt er. „Durch den Ausgleich all dieser Phasenunterschiede werden optische Aberrationen korrigiert. Das ist im Wesentlichen das, was wir tun, wenn wir eine Brille tragen, um unser Sehvermögen zu verbessern.“

Eine der größten Herausforderungen bei dieser Technik, fügt Alberti hinzu, bestand darin, einen fähigen Experimentator zu finden, der Vollzeit arbeiten konnte, um sie zum Erfolg zu führen. „Wir hatten Glück, dass Tangi Legrand, ein Masterstudent, sich entschied, diese Herausforderung anzunehmen“, sagt er. „Ohne ihn könnten wir heute nicht über unsere erfolgreichen Ergebnisse berichten.“

Präzise Standorte mit einem einzigen Bild

Die Möglichkeit, die 3D-Positionen von Atomen mit einem einzigen Bild präzise zu bestimmen, könnte in mehreren Zusammenhängen nützlich sein. Es könnte es einfacher machen, spezifische Wechselwirkungen zwischen Atomen auszulösen, und es könnte Wissenschaftlern helfen, neue Quantenmaterialien mit besonderen Eigenschaften zu entwickeln. „Wir könnten die Arten quantenmechanischer Effekte untersuchen, die auftreten, wenn Atome in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind“, schlägt Weidner vor. „Damit könnten wir die Eigenschaften dreidimensionaler Materialien einigermaßen simulieren, ohne sie synthetisieren zu müssen.“

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Technik, die im Detail beschrieben wird Körperliche Überprüfung A., ist sehr allgemein. „Unsere Methode kann auf viele Systeme angewendet werden, darunter Moleküle, Ionen und eigentlich jeden Quantenemitter“, sagt Weidner. „Wir hoffen, dass diese Methode bei 3D-Quantensimulationsbemühungen auf der ganzen Welt angewendet wird.“

Längerfristig, so sagen die Forscher, besteht ihr „Traum“ darin, die 3D-Positionen großer Arrays mit mehreren tausend Atomen zu rekonstruieren. Diese großen Arrays erfordern ein großes Sichtfeld, was optische Aberrationen mit sich bringt, erklären sie. „Wir hoffen, dass verbesserte Rekonstruktionsmethoden diese Aberrationen bewältigen und somit das Sichtfeld erweitern können, auf das unsere Technik angewendet werden kann“, sagen sie. „Sie könnten auch dabei helfen, die 3D-Positionen von Atomen zu finden, die in dichter gefüllten Gittern übereinander liegen.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/