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Ein einzelnes Atom als Sensor misst die Temperatur

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Forscher haben erstmals ein einzelnes Atom als Sensor verwendet. Um die Messdaten zu ermitteln, kommen Quantenzustände ins Spiel: Über den Spin des Atoms lässt sich die Temperatur ermitteln.

Hier ist es schon kalt, aber um mit einem einzelnen Atom als Sensor ultrakalte Temperaturen zu messen, müssen die Atome nahe des absoluten Nullpunktes abgekühlt werden.
Hier ist es schon kalt, aber um mit einem einzelnen Atom als Sensor ultrakalte Temperaturen zu messen, müssen die Atome nahe des absoluten Nullpunktes abgekühlt werden.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Mit Sensoren lassen sich Parameter wie Temperatur und Luftdruck erfassen. Nachteil: Sensoren nehmen Platz ein. Jetzt haben Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern zusammen mit Professor Dr. Eberhard Tiemann aus Hannover erstmals ein einzelnes Cäsium-Atom als Sensor für ultrakalte Temperaturen verwendet. Bei ihren Versuchen beobachten die Wissenschaftler um Professor Dr. Artur Widera, der zu Quantensystemen forscht, einzelne Cäsium-Atome in einem Rubidium-Gas, das bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt ist – die Temperatur ist hier nur noch ein Milliardstel Bruchteil eines Grad über diesem Nullpunkt.

In ihrer aktuellen Studie sind sie der Frage nachgegangen, ob sich die Spin-Zustände des Cäsium-Atoms nutzen lassen, um Informationen zu gewinnen. „Mit dem Begriff Spin bezeichnet man den Eigendreh-Impuls eines Atoms“, sagt Professor Widera von der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK). „Beim Cäsium gibt es sieben verschiedene Möglichkeiten für diesen Spin.“ Im Fokus der Versuche stand die Temperatur des Gases.

Die Besonderheit des Quantensensors

Ist das einzelne Cäsium-Atom in das Rubidium-Gas eingebracht, kollidieren die Rubidium-Atome mit diesem. „Dabei kann Drehimpuls zwischen den Atomen ausgetauscht werden, bis sich ein Gleichgewicht des Spins einstellt“, erläutert Dr. Quentin Bouton, federführender Wissenschaftler und Erstautor der Studie. Den Spin des einzelnen Atoms messen die Forscher und können auf diese Weise die Temperatur ermitteln. Dass diese Methode funktioniert, zeigt ein Vergleich mit herkömmlichen Messmethoden, bei denen die Physiker denselben Temperaturwert erhalten.

Das Besondere an der Studie war die hohe Empfindlichkeit bei der Messung. Bei einer typischen Messung wird der Sensor mit dem kalten Gas in Kontakt gebracht und gewartet, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. „Für Quantensensoren existiert im Gleichgewicht eigentlich eine fundamentale Grenze der Empfindlichkeit. Wir haben aber bereits im Vorfeld Informationen über die Wechselwirkungen zwischen Cäsium und Rubidium mit einfließen lassen, sodass wir nicht warten mussten, bis das Atom im Gleichgewicht mit dem Rubidium-Gas war“, fährt Bouton fort.

Dadurch besitzt das Messsystem der Kaiserslauterer Forscher eine rund zehn Mal höhere Empfindlichkeit, als es die fundamentale Quantengrenze verlangt. „Wir haben nur drei Spin-Drehungen, das heißt drei atomare Kollisionen, benötigt, um zu einem Ergebnis zu kommen“, sagte Bouton weiter. Somit ist auch die Störung des Rubidium-Gases auf nur drei Quanten begrenzt. Das ist ein wichtiger Schritt hin zu einer möglichst störungsarmen Messung von empfindlichen Quantensystemen, die für zukünftige Anwendungen in der Quantentechnologie interessant sind.

Besser als ein klassischer Sensor

„Wir haben hier erstmals ein einzelnes Atom als Sensor verwendet, der Quanteninformationen nutzt und dabei deutlich besser ist als ein klassischer Sensor“, betont Widera. Auch mit Magnetfeldern haben die Physiker diesen Versuch durchgeführt und haben die magnetischen Zustände erfasst. Ihr System als empfindlicher Sensor eignet sich beispielsweise, um fragile Quantensysteme fast zerstörungsfrei zu untersuchen.

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