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Laserkühlung trifft Nanostrukturen

Laserkühlung trifft Nanostrukturen

© S. Bondza et al., Phys. Rev. Applied, CC BY 4.0
Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Die Laserstrahlen treffen von oben auf die Nanostruktur und erzeugen durch Beugung sekundäre Strahlen.

Damit Laboraufbauten reif für Feldforschung oder kommerzielle Anwendungen werden, müssen sie kleiner und robuster werden. Die neue Generation von Magnetometern, optischen Atomuhren und Quantencomputern braucht vor allem kompakte Lösungen, um die richtigen Laserstrahlen zu erzeugen. Die Laserstrahlen fangen, kühlen und beobachten die einzelnen Atome, die im Mittelpunkt der Apparaturen stehen. Durch QuantumFrontiers haben vier Forschende unterschiedlicher Institutionen gemeinsam eine Möglichkeit gefunden, ein kompaktes Laserkühlsystem für besonders anspruchsvolle Atome zu entwickeln. Ihre Arbeit veröffentlichten sie im Fachmagazin Physical Review Applied.

Ionenfallen fangen geladene Teilchenvor allem durch elektrische Felder. Zwar kühlt auch in Ionenfallen ein maßgeschneiderter Laserstrahl die einzelnen Teilchen, aber es reicht auch bereits ein Strahl. Wer dagegen neutrale Atome ins Visier nehmen will, muss sich vollständig auf die ladungsunabhängige, optische Kraft stützen. Statt eines Strahls kommt dann ein ganzes Gitter aus Laserstrahlen zum Einsatz, das aus allen Richtung mit spezifischen Wellenlängen auf das Atom einwirkt. Entsprechend sind solche magneto-optischen Fallen häufig alles andere als kompakt oder gar skalierbar. Hier zeigen vor allem mit nanostrukturierten Chips versehene Fallen großes Miniaturisierungspotenzial. Die Nanostrukturen spalten in solchen grating magneto-optical traps (GMOT) einen einzelnen Laserstrahl auf und machen ihn so mehrfach nutzbar.

Auch wenn GMOTs die vielen Laserstrahlen kompakt erzeugen: Die Fallen können bisher immer nur eine einzelne Laserwellenlänge beugen. Einige Atome benötigen aber mehrere, sehr unterschiedliche Laserwellenlängen. Um dieses Problem zu adressieren, schlossen sich bei QuantumFrontiers vier Forschende von der TU Braunschweig, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und dem DLR-Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik zusammen. Gemeinsam entwarfen und bauten sie eine GMOT, deren Nanostruktur die Laserkühlung von Atomen mit zwei verschiedene Wellenlängen in einer Falle ermöglicht.

Diese Falle vereinfacht beispielsweise den Umgang mit Strontiumatomen. Deren Elektronen müssen für eine gute Kühlung auf mehreren Übergängen zwischen verschiedenen Energieniveaus herumspringen. Was bisher verschiedene Nanostrukturen brauchte, ist jetzt in einem kompakten Aufbau vereint und ermöglicht komplexere Experimente und Anwendungen. Mit der Technologie treiben die Forschenden demnach die weitere Miniaturisierung von Quantentechnologien voran, die mit neutralen Atomen arbeiten, wie beispielsweise optische Atomuhren.