Messtechnik extrem Einzelne Atome mit einer AWG-Messkarte kontrollieren

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

Forscher untersuchen das Quantenverhalten von Elektronen in einem Ionengitter mithilfe einer AWG-Messkarte. Doch nicht nur Präzision und Qualität der Signale spielen eine entscheidende Rolle.

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Um das Quantenverhalten von Elektronen in einem Ionengitter zu untersuchen, werden Laser in einer Ebene in einem Winkel von 120 Grad voneinander angeordnet, die nacheinander abgefeuert werden. So lassen sich die Atome in synchronisierte Dreiecksmuster treiben.
Um das Quantenverhalten von Elektronen in einem Ionengitter zu untersuchen, werden Laser in einer Ebene in einem Winkel von 120 Grad voneinander angeordnet, die nacheinander abgefeuert werden. So lassen sich die Atome in synchronisierte Dreiecksmuster treiben.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Wie lässt sich das Quantenverhalten von Elektronen in einem Ionengitter untersuchen? Dazu stellen Forscher der Universität San Diego in Kalifornien das System mit Atomen nach, die sich einzeln in einem optischen Gitter bewegen. Im Gegensatz zu den Elektronen können die Atome beobachtet werden. Allerdings müssen die Atome auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, um sie anschließend mit einem ultrapräzisen Laserimpuls, deren Steuersignale praktisch kein Rauschen enthalten dürften, einzeln in eine dreieckige Anordnung zu zwingen.

Doch wie sieht das im Detail aus? Dr. Julio Barreiro, der für die Forschung zuständige Assistenzprofessor, erklärt: „Um einzelne Atome zu manipulieren, benötigt man eine außerordentliche Präzision, denn jeder Laserpuls muss genau die richtige Energiemenge liefern. Ein Kollege am CalTech, der einen AWG von Spectrum Instrumentation verwendet, um in seiner Forschung einzelne Atome zu bewegen, hat mir dieses Produkt empfohlen. Die extreme Präzision dieser AWG-Karte und ihr Mangel an Rauschen sind genau das, was wir brauchen, sonst könnten wir die Atome nicht lenken und schlimmer – jedes Signalrauschen würde die Atome erwärmen.“

Tanzende Atome simulieren Quantenverhalten

Der erste Schritt besteht darin, einige Millionen Strontiumatome in einer Vakuumkammer abzukühlen, auf nur einige hundert Nano-Grad über dem absoluten Nullpunkt. Im nächsten Schritt werden die ultrakalten Atome mit Laserpulsen in einer flachen Schicht angeordnet. Dann werden drei Laser, die in einer Ebene in einem Winkel von 120° voneinander angeordnet sind, nacheinander abgefeuert, um die Atome in synchronisierte Dreiecksmuster zu treiben.

Die tanzenden Atome simulieren dabei das Quantenverhalten von Elektronen in einem Ionengitter. „Dieses Modell, das wir mit hochempfindlichen Kameras beobachten können, setzen wir unterschiedlichen Bedingungen aus, um die vorhergesagten Ergebnisse aus den Computermodellen mit der Realität zu vergleichen“, erklärt Dr. Barreiro, “das wäre mit den winzigen Elektronen einfach nicht möglich.“

Um einen Größenvergleich zu haben: Die Atome werden in einem Bereich von 500 nm beobachtet, während sich die Elektronen in einem Bereich von nur einigen Ångström befinden. Der präzise und koordinierte Tanz der Atome in einem Dreiecksgitter wird durch multiple Dreifach-Laserfrequenzen ermöglicht, die von der AWG-Karte über ihre Mehrkanalausgänge gesteuert werden.

Grundlagenforschung für neue Medikamente

Die Grundlagenforschung, die zur zweiten Quantenrevolution gehört, ist wichtig für die Untersuchung der Quanteneffekte in Materialien, die für Quantencomputer benötigt werden, sowie für molekulare Strukturen in der Quantenchemie, die zur Herstellung neuartiger Medikamente führen werden.

Das Experiment mit der Vakuumkammer in der Mitte des Bildes.
Das Experiment mit der Vakuumkammer in der Mitte des Bildes.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Dr. Barreiro (rechts) überwacht das Experiment.
Dr. Barreiro (rechts) überwacht das Experiment.
(Bild: Spectrum Instrumentation)

Die Präzision der AWG-Karte überzeugt den Wissenschaftler Dr. Barreiro: „Die AWG-Karte von Spectrum ist nicht nur wegen der Qualität ihrer Ausgangssignale unschlagbar, sondern auch in Bezug auf den Preis. Wir haben uns konkurrierende Karten angesehen und sie haben bei weitem nicht die Präzision und das extrem niedrige Rauschen erreicht, das wir benötigen. Dann haben wir uns Stand-Alone-Lösungen der großen Hersteller angesehen, die möglicherweise die nötige Qualität und Präzision haben, aber mit dem Nachteil, dass sie ein komplettes System aus Gerät, Netzteil, Bedienelementen und Bildschirm darstellen.

Die Spectrum-Karte kostet nur ein Drittel dieses Preises und benötigt lediglich einen PC, um sie unterzubringen, was nur ein paar hundert Dollar bedeutet. Wir haben eine Lösung von Spectrum, die genau unseren Leistungsanforderungen entspricht und mit der Spectrum-Software sehr einfach auf dem Host-PC programmiert werden kann, um genau das zu tun, was wir wollen.“

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