Kalte Atome machen Mikrowellenfelder sichtbar

Wissenschaftler verwenden kalte Atomwolken für die Abbildung von Mikrowellenfeldern.

Atome als Sensoren für Mikrowellenfelder.
Atome als Sensoren für Mikrowellenfelder.

Garching - Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Theodor W. Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik hat eine neuartige Methode entwickelt, die es erlaubt, Mikrowellenfelder vollständig und mit hoher Ortsauflösung direkt abzubilden. Als "Sensoren" für die Mikrowellenfelder dienen dabei Wolken von ultrakalten Atomen.

Die moderne drahtlose Kommunikation beruht auf der Übertragung von Informationen mit Radiofrequenz- und Mikrowellen. Integrierte Mikrowellenschaltkreise in Geräten wie Mobiltelefonen und WLAN-fähigen Laptops dekodieren und verarbeiten die Information. Bei der Entwicklung solcher Schaltkreise sind Messungen der Mikrowellenfelder nötig, um Gewissheit über die Funktion der Schaltkreise und eventuelle Störungen bei der Übertragung zu erhalten. Dazu möchte man idealerweise sämtliche Komponenten der Mikrowellenfelder direkt und mit möglichst hoher Ortsauflösung abbilden.

Bei den existierenden Verfahren wird das zu vermessende Feld Punkt-für-Punkt abgerastert, was einige Zeit in Anspruch nimmt. Die meisten Verfahren können dabei lediglich die Amplituden, nicht aber die Phasen der Mikrowellenfelder bestimmen. Außerdem kann das zu vermessende Feld durch die Verwendung von makroskopischen Sonden leicht gestört werde und die Ortsauflösung ist relativ gering.

Die neuentwickelte Methode aus dem Max-Planck-Institut verspricht diese Probleme zu beheben. Mikrowellen bestehen, wie alle elektromagnetischen Wellen, aus einem oszillierenden magnetischen und einem oszillierenden elektrischen Feld. Als Sonden für das Mikrowellenmagnetfeld verwenden die Wissenschaftler Wolken von Rubidium-Atomen, die sie zuvor mit Hilfe von Methoden der Laserkühlung auf Temperaturen von wenigen Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt haben. Bei diesen Temperaturen gehorchen die Atome den Gesetzen der Quantenphysik und reagieren sehr empfindlich auf angelegte äußere Felder, was sie zu idealen Sensoren macht. Mit Hilfe von statischen Magnetfeldern werden die Atome am gewünschten Ort über dem Mikrowellenschaltkreis positioniert und das zu vermessende Mikrowellenfeld wird angelegt.

"Die Atome ändern ihren inneren Zustand, wenn sie sich in einem Mikrowellenfeld befinden", erklärt Pascal Böhi, der die Methode im Rahmen seiner Doktorarbeit mitentwickelt hat. "Diese Zustandsänderung können wir mit einer CCD-Kamera mit hoher Ortsauflösung abbilden. Je stärker das Mikrowellenfeld an einem gegebenen Ort ist, desto schneller ändert sich dort der Zustand der Atome." Eine Besonderheit der neuen Methode liegt darin, dass das Mikrowellenfeld nicht mehr Punkt-für-Punkt abgerastert werden muss. Vielmehr lässt sich in einer einzigen Messung bereits ein komplettes Bild einer Feldkomponente in einer Ebene aufnehmen. Dies beschleunigt die Aufnahme der Daten erheblich. Zudem ermöglicht die Technik nicht nur die Rekonstruktion der Amplituden, sondern auch der Phasen des Mikrowellenfeldes. Da die Atome mikroskopisch klein sind, stören sie den zu vermessenden Mikrowellenschaltkreis im Gegensatz zu makroskopischen Messköpfen nicht.

Die Apparatur selbst hat Raumtemperatur, lediglich die darin gespeicherten Atome werden mit Hilfe von Lasern nach einem bereits bekannten Verfahren abgekühlt. Dabei werden die Atome mit Laserlicht beschossen. Die Atome absorbieren die Laserphotonen und emittieren sie nach kurzer Zeit wieder. Weil Photonen einen Impuls tragen, wird sowohl bei der Absorption als auch der Emission ein Rückstoß auf die Atome ausgeübt. Während der Rückstoß durch die Emission in eine zufällige Richtung weist und sich in der Summe aufhebt, ist der Absorptionsrückstoß entlang des Laserstrahls gerichtet und hat im Ganzen einen messbaren Effekt auf die Bewegung der Atome. Weil sich durch den Dopplereffekt die zur Absorption benötigten Frequenzen bei bewegten Atomen verändern, kann man die Laser so anpassen, dass ihre Photonen nur an Atomen gestreut werden, die sich auf sie zu bewegen. Richtet man also Laser aus verschiedenen Seiten auf die Atome, werden sie weitgehend abgebremst, was letztendlich gleichbedeutend mit einer niedrigen Temperatur ist.

Für die Herstellung der Messapparatur werden hauptsächlich im Handel erhältliche Komponenten benötig. Trotzdem bremst Philipp Treutlein verfrühte Hoffnungen: "Um von der ersten Umsetzung im Labor zu kommerziellen Anwendungen zu kommen, ist natürlich noch weitere Entwicklungsarbeit nötig."