Mit der Kontrolle einzelner Atome können Quanteneigenschaften erforscht und für technologische Anwendungen nutzbar gemacht werden. Seit rund zehn Jahren arbeiten Physiker/innen daher an einer Technologie, mit der Atome eingefangen und kontrolliert werden können: sogenannten Nanooptischen Fallen. Das Prinzip, mit Licht mikroskopische Objekte einzufangen, wird dafür auf eine spezielle Glasfaser angewendet. Diese Glasfaser darf nur wenige hundert Nanometer dünn sein, also rund 100-mal dünner als ein menschliches Haar. In die Glasfaser wird Laserlicht geschickt, wodurch ein Lichtfeld entsteht, das einzelne Atome festhalten kann. Bisher war die Anwendbarkeit dieser Technologie allerdings dadurch eingeschränkt, dass die Atome sich nach sehr kurzer Zeit stark erhitzt haben und verloren gegangen sind. Trotz intensiver Suche kannte man die Ursache für diese Erhitzung bisher nicht.
Physiker vom Innsbrucker Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck konnten nun in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Humboldt-Universität zu Berlin mithilfe eines theoretischen Modells zeigen, dass eine bestimmte Form von mechanischen Vibrationen der Glasfaser für die starke Erhitzung der Teilchen verantwortlich ist.
Mechanische Schwingungen der Glasfaser
„Es handelt sich hier um Schwingungen wie sie entstehen, wenn man in ein Seil Wellen schlägt“, erklärt Daniel Hümmer vom IQOQI Innsbruck. „Diese Vibrationen heizen die Teilchen, die nur rund 200 Nanometer über der Oberfläche der Glasfaser schweben, sehr rasch auf.“ Die theoretisch ermittelte Aufheizrate stimmt sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Diese Erkenntnis hat wichtige Konsequenzen für Anwendungen: Einerseits kann die Technologie mit einfachen Gegenmaßnahmen deutlich verbessert werden.
Außerdem vermuten die Physiker, dass ihre Erkenntnis auch für viele ähnliche nanophotonische Fallen hilfreich sein könnte. Das von ihnen nun veröffentliche theoretische Modell liefert wesentliche Richtlinien für das Design solcher Atomfallen. „Bei der Herstellung dieser Fallen darf nicht nur auf die optischen Eigenschaften geachtet werden, auch die mechanischen Eigenschaften müssen berücksichtigt werden“, betont Oriol Romero-Isart von der Universität Innsbruck. „Unsere Berechnungen geben hier wichtige Hinweise, welche mechanischen Effekte am relevantesten sind.“