Enkeltatom som en meget følsom kraftsensor

Synkronisering med ytre vibrasjoner gjør atomer ekstremt følsomme for krefter

Atomer © Forschungszentrum Jülich
lese høyt

En "sensor" av bare ett atom reagerer til og med på krefter på bare fem firedoblinger av Newton, som vist av et nå publisert i tidsskriftet "Physical Review Letters" -eksperimentet. Dette ble oppnådd ved en spesiell behandling av et magnesiumion i en ionefelle og måling av synkronisering med et eksternt felt. I fremtiden kan denne teknikken brukes, for eksempel til å måle magnetfeltet til individuelle molekyler eller for å verifisere grunnleggende teorier.

Allerede på 1600-tallet la den nederlandske fysikeren Christiaan Huygens merke til at to pendler nøyaktig kan synkronisere, hvis de har mulighet til å påvirke hverandre. Interessant nok trenger dette samspillet ikke være sterkt i det hele tatt, i eksempelet på pendelen kan det være nok hvis begge blir hengt på samme vegg. I dag er det kjent at et stort utvalg av oscillerende systemer viser denne synkroniseringsegenskapen, fra orgelrør til lasere til elektroniske oscillatorer. En forskergruppe ved Max Planck Institute for Quantum Optics har nå lyktes i å observere dette teknisk viktige fenomenet selv i et eneste ekstremt kaldt atom.

Jon i elektrodefellen

Utgangspunktet for dette eksperimentet er et enkelt magnesiumion, som i en såkalt

Paul-fellen er lagret. De vekslende elektriske felt av elektroder arrangert i et kvadrat holder ionet på et bestemt punkt i fellen, mens et vakuumsystem sørger for at det kan svinge så uforstyrret som mulig. Nå kommer to lasere i spill, som er nøye innstilt for å vibrere ionet stabilt med en amplitude på omtrent en tidels millimeter frem og tilbake. Optisk optikk i høy oppløsning og et følsomt kamera gjør at denne svingningen kan registreres ved hjelp av det spredte lyset.

For å undersøke synkroniseringen av denne optisk eksiterte oscillatoren med en ekstern kilde, påføres et annet svakt vekslende elektrisk felt - et radiosignal - på en nærliggende elektrode og svingningen av det ionobsatte stroboskopisch. Frekvensen til det ytre feltet skiller seg bare litt fra vibrasjonsfrekvensen til ionet. Når amplituden til det utstrålte radiosignalet er stor nok, synkroniserer ionens svingning og den svinger i fase med radiosignalet. utstilling

Reaksjon allerede ved fem firedeler av Newton

En nøye bestemmelse av kreftene som utøves av det hendende vekslingsfeltet på ionet, viser at synkronisering skjer selv med ekstremt svake eksitasjoner på bare fem Yoctonewtons - det vil si fem firedeler av en Newton. Ved denne kraften vil ionet bare bli forskjøvet med omtrent ett nanometer fra sin hvileposisjon. Det ville knapt vært mulig å bevise dette uten Tricks fra forskerne som er brukt her, fordi ionet bare svinger frem og tilbake med en amplitude på 5000 nanometer på grunn av temperaturen alene.

Den nå påviste høye følsomheten til et enkelt atom kunne nå brukes, for eksempel til å bestemme magnetfeltet til et enkelt molekyl ved hjelp av en slik atomsensor og dermed for å verifisere grunnleggende teorier. Arbeidet som presenteres her er et lovende første skritt i denne retningen.

(Max Planck Institute of Quantum Optics, 06.08.2010 - NPO)