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Fachbereich Physik
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Ionenfalle

Zentrum für optische Quantentechnologie

"we never experiment with just one electron or atom... In thought-experiments we sometimes assume that we do; this invariably entails ridiculous consequences [...] In the first place it is fair to state that we are not experimenting with single particles, any more than we can raise Ichthyosauria in the zoo."

Erwin Schrödinger, Br. J. Philos. 233(1952)

Was Erwin Schrödinger 1952 für wahr hielt, wurde von der Geschichte schnell überholt. Im Jahr 1979 gelang es den Hamburger Forschern Prof. Dr. Toschek und Prof. Dr. Neuhauser (damals noch in Heidelberg) zusammen mit Prof. Dehmelt erstmals, ein einzelnes Atom in einer Ionenfalle zu fangen und seine Fluoreszenz sogar direkt mit dem Auge zu beobachten. Nur zehn Jahre später wurde der Nobelpreis für Physik 1989 an Hans Georg Dehmelt und Wolfgang Paul für die Entwicklung der Ionenfallentechnik vergeben.

In einer Ionenfalle werden neutrale Atome ionisiert und durch geschickte Anordnung von oszillierenden und statischen elektrischen Felder festgehalten. Um diese Ionen nun auch zu kühlen werden Laserstrahlen benutzt, die leicht rotverstimmt gegenüber einem optischen Übergang des Ions sind. Aufgrund des Dopplereffektes absorbiert das Atom immer dann Photonen, wenn es auf den Laserstrahl zufliegt und erfährt so eine bremsende Kraft. Durch konsequente Fortentwicklung dieser Technik ist es sogar gelungen, ein einzelnes Atom so weit abzukühlen, dass es den absoluten Grundzustand eines harmonischen Oszillatorpotentials besetzt.

Die Manipulation einzelner quantenmechanischer Systeme in einer Ionenfalle hat es erlaubt, erstmals grundlegende Phänomene der Quantenmechanik experimentell zu beobachten. Dazu gehören z.B. die Beobachtung

  • von Quantensprüngen zwischen unterschiedlichen Energieniveaus,
  • des Quanten-Zeno Effektes, bei dem durch ständige Messung das Ion in seinem quantenmechanischen Zustand festgehalten wird,
  • der Quantenteleportation, d.h. des Übertragens eines quantenmechanischen Überlagerungszustandes von einem Ion auf ein anderes.

In den letzten 10 Jahren hat sich das Forschungsgebiet der Ionenfallen extrem dynamisch entwickelt, da es einer der Hauptfavoriten für die Realisierung von Quantencomputern ist. Quantencomputer erlauben es, gewisse Probleme weit effizienter als auf klassischen Computern durchzuführen. Eine Realisierung im großen Stile würde daher eine Revolution der Informationsverarbeitung nach sich ziehen. Außerdem werden mit Ionenfallen die momentan genauesten Uhren realisiert.

Schemazeichnung einer Ionenfalle

Im Studienlabor Ionenfalle bieten wir motivierten Studierenden die Möglichkeit, eine hochmoderne Apparatur zum Fangen von einzelnen Ionen selber aufzubauen und später daran Experimente mit einzelnen Ionen durchzuführen. Dabei werden Sie einen experimentellen Zugang zur Quantenmechanik und Atomphysik gewinnen und mit folgenden Technologien zu arbeiten:

  • Lasersysteme, Polarisations- und Faseroptik
  • Rechnergestütze Konstruktion (CAD)
  • Elektronik: alles vom Regelkreis bis zu Hochfrequenzelektronik und FPGAs
  • Ultrahochvakuum-Technologie
  • Soft-/ und Hardware zur Experimentkontrolle
Die Breite der vermittelten Kenntnisse stellt eine hervorragende Vorbereitung für eine experimentelle Master bzw. Doktorarbeit ebenso wie für eine spätere Tätigkeit in der Industrie dar.

Ionenfalle

Bei Fragen melden Sie sich gerne. Weitere Details können Sie auch auf der Website http://photon.physnet.uni-hamburg.de/ilp/moritz finden.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Henning Moritz | henning.moritz@physnet.uni-hamburg.de

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