Physiker messen Lichtabsorption einzelner Atome

Brisbane (Australien) – Das Verständnis der Lichtabsorption ist grundlegend für jegliche Mikroskopie und Astronomie. Mit Hilfe eines ausgeklügelten Messaufbaus konnten Physiker nun extrem kontraststarke Bilder von einzelnen Atomen des seltenen Elements Ytterbium aufnehmen. Diese Atome waren einfach ionisiert – ihnen fehlte also ein Elektron – und in einer sogenannten Paul-Falle zwischen zwei Wolframnadeln durch elektromagnetische Felder gefangen. Mit einem Laser beleuchteten die Forscher einzelne Atome und konnten eine dreiprozentige Abschwächung des Lichtsignals messen. Damit haben sie das Erreichbare aus ihrem Aufbau herausgekitzelt, denn eine solche Abschwächung liegt am theoretisch erwartbaren Limit. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichten, eröffnen sich hiermit neue Möglichkeiten, die Absorption von Licht auf atomarer Basis zu untersuchen.

Schema des Aufbaus: Zwischen zwei Nadeln, die von der Seite aus in die Mitte zeigen, befindet sich eine Kugel. Die Kugel wird von einem Lichtkegel umschlossen, da das Licht sie von unten anstrahlt, hinterlässt die Kugel eine Art Schatten, der oben auf einer Platte als Absorptionsspektrum zu sehen ist.
Versuchsaufbau

„Wir haben die maximale Signalausbeute pro beleuchtendem Photon herausgeholt“, so Erik Streed von der Griffith University im australischen Brisbane. Dies sei insbesondere für die Mikroskopie lebender Zellen und ihrer Bestandteile von Bedeutung: „Eine maximale Signalausbeute ist entscheidend für die Aufnahme lichtempfindlicher Proben im ultravioletten oder im Röntgenbereich, wo die Bestrahlung mit schädigenden Dosen häufig die Untersuchung von Phänomenen unmöglich macht.“ Gerade wichtige Prozesse unter Beteiligung des Zellkerns wie Zellteilung und Genexpression sind empfindlich gegenüber hohen Beleuchtungsstärken. Kontraststarke Techniken und ein besseres Verständnis der Photoabsorption können zu Beleuchtungsreihen führen, die das Erhalten der Zellfunktionen ermöglichen.

Um einen so hohen Kontrast zu erreichen, mussten die Forscher das Ytterbium-Atom in einer Hochvakuum-Paul-Falle möglichst ruhig positionieren. Hierzu bedienten sie sich der Laserkühlung, bei der Laserlicht ganz leicht unterhalb der Anregungsfrequenz des gefangenen Atoms eingestrahlt wird. Dieses Licht entzieht dem Atom dann Energie, bis es sich auf wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlt. Den Laser fokussierten sie auf wenige Mikrometer, das entspricht dem Zwanzigstel einer Haaresbreite. Das Bild nahmen sie mit einer Fresnellinse bei über 600-facher Vergrößerung und bei Beleuchtungszeiten von ungefähr einer Sekunde auf. Sodann verglichen sie die Absorptionsbilder mit absorptionsfreien Bildern, bei denen das gefangene Atom aufgrund der Beeinflussung mit einem anderen Laser kein Licht mehr absorbierte. Durch den Vergleich der beiden Bilder konnten die Forscher die exakte Absorption bestimmen. Ihre Ergebnisse sind auch für die Quanteninformationsverarbeitung interessant, da viele Konzepte zu Quantencomputern mit optischen Methoden arbeiten.