Mechanischer Oszillator gleicht optischem Laser

25. August 2009, 07:57
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Entwicklung von hochauflösenden Tomographen dadurch denkbar

Wissenschafter des Max Planck Instituts für Quantenoptik  haben unter der Leitung von Theodor Hänsch und in Zusammenarbeit mit einem Gastforscher vom California Institute of Technology ein Demonstrationsexperiment erfolgreich durchgeführt, das die Entwicklung neuartiger und ultrasensibler Tomographie- und Detektionsinstrumente für die Materialwissenschaft oder Halbleitertechnik in Aussicht stellt. Durch Bestrahlung eines Magnesiumsions in einer Ionenfalle konnten die Forscher erstmals demonstrieren, dass mit Laserlicht die Erzeugung regelmäßiger mechanischer Schwingungsquanten - sogenannter Phononen - stimuliert werden kann. Auf lange Sicht soll die Realisierung eines Lasergeräts gelingen, das statt Licht eben Phononen aussendet.

Implementation

"Bislang ist es weder geglückt auf Basis dieses Prinzips ein Strahlen erzeugendes Gerät zu bauen, noch dieses in einen Festkörper zu implementieren. Falls es gelingen sollte, könnten wegen der sehr kleinen Wellenlänge jedoch spektroskopische bzw. tomographische Analysen von Festkörpern von ungeahnter Auflösung realisiert werden", gibt sich Thomas Udem, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max Planck Institut für Quantenoptik, gegenüber pressetext zuversichtlich.

Ablauf

Die Wissenschafter speicherten für ihr Experiment ein einzelnes, positiv geladenes Magnesiumion in einer Ionenfalle, also in einem elektromagnetischen Feld, und senkten seine Temperatur auf etwa ein Millikelvin. Um das Ion anzuregen, wurde es mit Laserlicht unterschiedlicher Frequenz bestrahlt. Vereinfacht gesprochen wurde ein Verstärker für mechanische Schwingungen gebaut, dessen Eigenschaften jenen eines optischen Laseroszillators genau entspricht. Dabei ließ sich sowohl ein analoges Schwellenwert- als auch Sättigungsverhalten beobachten. So konnte etwa ab einer gewissen Strahlintensität ein Übergang von thermischer, ungeordneter Bewegung des Ions zu einer geordneten harmonischen Schwingung festgestellt werden.

Anwendung

Derzeit wird untersucht, welche Werkzeuge und Techniken aus der Laserphysik auf so einen "Phononenlaser" angewendet werden können. Nachdem das Demonstrationsexperiment erfolgreich verlaufen ist, stellt die kontrollierte Stimulation mehrerer Ionen zur Abgabe von Schwingungsquanten den nächsten Schritt in der Grundlagenforschung dar. "Erst die Implementierung von Phononenlasern in Festkörpern würde theoretisch hochaufgelöste Tomographien ermöglichen. Diesbezügliche Versuche sind bislang jedoch an der großen Anzahl der beteiligten Atome in Festkörpern gescheitert", so Udem weiter. Bis hin zu konkreten Anwendungen wie etwa hochsensiblen Detektoren oder Analysegeräten zum Aufspüren von Metalldefekten, muss also noch fleißig geforscht werden. (pte)

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