Dem Team am Institut für Experimentalphysik und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) um Francesca Ferlaino ist es gelungen, einzelne Erbium-Atome in optischen Pinzetten zu fangen. Dieser ermöglicht neue Untersuchungen von Elementen mit mehreren Valenzelektronen – ein Forschungsbereich, der bisher von einfacheren Atomen mit einem oder zwei Valenzelektronen beherrscht wurde.
Erbium, das 14 Valenzelektronen besitzt, bringt neue Freiheitsgrade und eröffnet aufregende Möglichkeiten für Quantenexperimente, die die Erforschung von bisher unbekannten atomaren Mechanismen ermöglichen. „Die Komplexität dieser Atome erlaubt es uns, nuanciertere Wechselwirkungen zwischen den Teilchen zu erforschen und bietet einen Quanten-Spielplatz mit unglaublichem Potenzial für die Entwicklung neuer Experimente“, erklärt Manfred Mark, Co-Leiter der Experimente.
Komplexe Kontrolle und neue Nachweisverfahren
Über das Einfangen von einzelnen Erbium-Atomen hinaus hat das Forschungsteam Nachweisverfahren entwickelt, die die verschiedenen internen Zustände von Erbium nutzen. Indem sie Fluoreszenz in verschiedenen Wellenlängen induzieren, erzielen sie zwei einzigartige Bildgebungsverfahren: eines im blauen Spektrum für die ultraschnelle Beobachtung der Atome – ein Novum in der Atomphysik mit Laserpinzetten – und ein anderes im gelben Spektrum für nahezu zerstörungsfreie Beobachtung. Auf diese Weise können die Forscher:innen das Verhalten der Atome genau verfolgen, ohne ihre Quantenzustände zu stören, und es ist auch langsam genug, um das System kontinuierlich zu untersuchen. „Diese neuen bildgebenden Verfahren bieten eine noch nie dagewesene Vielseitigkeit bei der Untersuchung dieser Quantensysteme“, sagt Daniel Schneider Grün, einer der Erstautoren der neuen Studie. „Wir können diese komplexen Atome nun auf eine Art und Weise beobachten, die bisher nicht möglich war.“
Die Grenzen des Quantenwissens verschieben
Während Erbium-Atome bereits in optischen Gittern untersucht wurden, wird in der aktuellen Forschungsarbeit ein neuer Ansatz mit optischen Pinzetten vorgestellt. Die Pinzetten verwenden eng gebündelte Laserstrahlen, wobei die Größe des gebündelten Lichts einem Bruchteil der Größe eines menschlichen roten Blutkörperchens entspricht. „Im Gegensatz zu optischen Gittern erlauben optische Pinzetten eine größere Freiheit bei der Anordnung von Atomen in anpassbaren Geometrien und ermöglichen eine Rekonfiguration der Teilchen in Echtzeit“, erklärt Daniel Schneider Grün.
Das Forschungsteam, das für seine Expertise in der Manipulation von Seltenen Erden wie Erbium und Dysprosium bekannt ist, hat bereits Durchbrüche wie die Bose-Einstein-Kondensation von Erbium erzielt. Dank eines in den letzten Jahren aufgebauten Netzwerks von Kooperationen mit erfahrenen Theoretikern profitieren sie von den neuesten Erkenntnissen über die Eigenschaften dieser komplexen Atome, einschließlich der Rydberg-Zustände, die in diesem Aufbau eine zentrale Rolle spielen.
Entschlüsselung neuer Quantenwechselwirkungen
Die nächsten Schritte der Forscher bestehen darin, Wechselwirkungen zwischen Erbium-Atomen durch Rydberg-Anregung herbeizuführen, ein Prozess, bei dem eines der 14 Valenzelektronen genutzt wird, während die anderen als Quantensonden oder Register dienen. Diese erhöhte Komplexität ebnet den Weg für ein aufregendes neues Kapitel in der Quantenwissenschaft, in dem komplexe Atome mit Mehrelektronenkonfigurationen präzise manipuliert, untersucht und auf transformative Weise nutzbar gemacht werden können. „Dies ist wirklich Terra Incognita“, sagt Francesca Ferlaino begeistert.
Publikation: Optical Tweezer Arrays of Erbium Atoms. D. S. Grün, S. J. M. White, A. Ortu, A. Di Carli, H. Edri, M. Lepers, M. J. Mark, F. Ferlaino. Phys. Rev. Lett. 2024 DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.223402