Wechselwirkung einzelner Ionen mit einzelnen Photonen

Wir können Gegenstände sehen, weil sie Licht reflektieren. Das reflektierte Licht erreicht dann unsere Augen und wir nehmen die Objekte wahr. Dieser Prozess passiert auch bei den kleinsten Bausteinen der Materie: Atome und Moleküle. Wie reflektiert ein Atom das Licht? Das passiert in zwei Schritten. Zunächst nimmt das Atom die Energie des Lichts auf und speichert sie, indem es seinen Zustand bzw. innere Konfiguration zu einem angeregten Zustand ändert. Danach verlässt das Atom diesen Zustand auf natürliche Weise, indem es ein Lichtpaket, auch Photon genannt, abgibt. Diese spontane Energiefreigabe heißt spontane Emission und, obwohl sie wichtig ist für die Sichtbarkeit von Gegenständen, kann sie in physikalischen Experimenten unerwünscht sein. Zum Beispiel ist die spontane Emission eine Grenze dafür, wie lange ein Atom angeregt bleiben kann und verhindert dadurch, dass beispielsweise Quanteninformation unbegrenzt lang gespeichert werden kann. Wenn das Atom letztlich das Photon abgibt bzw. emittiert, beeinflusst diese Emission auch die Bewegung des Atoms und die Position des Atoms kann weniger genau bestimmt werden. Diese Abweichung ist zwar winzig klein, aber relevant für physikalische Experimente, in welchen die Position sehr präzise gemessen werden soll. In unserem Projekt werden wir die spontane Emission eines Atoms blockieren, um diese negativen Auswirkungen zu vermeiden: Wir wollen die Zeit erhöhen, die ein Atom im angeregten Zustand bleibt. Um unser Ziel zu erreichen, koppeln wir ein Atom mit einem Spiegel, der das Licht zurück zum Atom reflektiert und dadurch dessen Emission verringert. Das funktioniert, weil die Emission des Lichts eine gewisse Zeit beansprucht, das Licht aber so schnell zurückgeführt werden kann, dass es mit der fortlaufenden Emission wechselwirkt. Unser Spiegel ist einzigartig. Er ist hemisphärisch bzw. halbkugelförmig, um die Emission von allen Richtungen zu kontrollieren und wurde im wahrsten Sinne des Wortes mit einer spiegelglatten Oberfläche hergestellt. Unsere Herausforderung ist also unseren besonderen Spiegel mit einem isolierten Atom zu kombinieren, sodass wir die spontane Emission bestmöglich kontrollieren können. Wir wollen ein Atom unsichtbar machen, indem wir seine spontane Emission vollständig blockieren. Die Ergebnisse unseres Projekts können Anwendung in den Quantengeräten der Zukunft finden, z. B., um die Speicherkapazität von Quantenspeichern zu verlängern, oder um die Empfindlichkeit von lichtbasierten Positionsmessprotokollen zu verbessern. Unsere Methode zur Sichbarkeitskontrolle mit einem runden Spiegel ist anwendbar auf alle Gegenstände, die Licht reflektieren können und nicht auf Atome begrenzt. Aufgrund des großen Potenzials für vielfältigste Anwendungen hat dieses Projekt exzellente Perspektiven, nützlich für wissenschaftliche Bereiche zu sein, wie z.B. die Mikroskopie oder die Quantenmechanik mit mikroskopischen Teilchen.

Wir haben einen hochinnovativen Aufbau entwickelt, in dem ein einzelnes atomisches Ion im Krümmungsmittelpunkt eines halbkugelförmigen Spiegels gehalten wird. Der Aufbau ist vollständig in Betrieb, und dieser Erfolg ebnet den Weg für grundlegende Forschung, die es ermöglichen wird, die Lichtemission eines einzelnen Atoms zu formen und zu kontrollieren - ein wichtiger Schritt hin zu zukünftigen Quantentechnologien. Das Gerät fängt einzelne Ionen nun zuverlässig, positioniert sie mit hoher Präzision und detektiert ihr Licht mit Raten, die mit den besten Systemen weltweit vergleichbar sind; damit werden wegweisende Experimente möglich. Wir haben Forschungsergebnisse veröffentlicht und Patente angemeldet, die die Lichtkontrolle mithilfe dieses Aufbaus und komplexer reflektierender Randbedingungen beschreiben; sie haben Auswirkungen auf Quantenoptik, Quanteninformation und Quantenoptomechanik. Das Projekt hat starke internationale Aufmerksamkeit erregt, zu eingeladenen Vorträgen in ganz Europa geführt und neue Kooperationen mit führenden Gruppen in Deutschland und im Vereinigten Königreich angestoßen. Zudem hat es Studierende und Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler ausgebildet, einschließlich eines Postdocs, der bzw. die inzwischen eine Professur angetreten hat.