Forschung Temperatur über Quantenzustand gemessen

Prof. Artur Widera forscht an der TU Kaiserslautern an Quantensystemen. Die Anschrift seines Instituts: Erwin-Schrödinger-Straße.
Prof. Artur Widera forscht an der TU Kaiserslautern an Quantensystemen. Die Anschrift seines Instituts: Erwin-Schrödinger-Straße.

Physiker der TU Kaiserslautern haben Temperaturmessungen an ultrakalten Gasen durchgeführt und dafür erstmals ein einziges Atom als Quanten-Messsonde verwendet.

Vermessen wurde ein Gas aus Rubidium mit einer Temperatur von 1 nK über dem absoluten Temperaturnullpunkt. Als Temperaturfühler verwendeten sie ein einzelnes Cäsium-Atom. Nach dem Eintritt in das Gas übertragen Cäsium-Atom und Rubidum-Gas so lange ihren Eigendrehimpuls (Spin), bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. Die Temperatur des Gases konnten die Forscher aus dem Spinzustand des Cäsium-Atoms berechnen.

Erstmals habe man ein einziges Atom als Sensor verwendet, der Quanteninformationen nutzt und damit eine deutlich höhere Genauigkeit erzielt als ein klassischer Sensor, betont Prof. Artur Widera. Die Forschungsarbeit wurde in seiner Arbeitsgruppe durchgeführt. Bei einer typischen Messung wird der Sensor mit dem kalten Gas in Kontakt gebracht und so lange gewartet, bis sich ein Gleichgewicht eingestellt hat. »Für Quantensensoren existiert im Gleichgewicht eigentlich eine fundamentale Grenze der Empfindlichkeit«, sagt Erstautor Dr. Quentin Bouton. »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«. Dadurch besitzt das Messsystem der Kaiserslauterer Forscher eine rund zehn Mal höhere Empfindlichkeit, als es die fundamentale Quantengrenze verlangt.

Um ein Messergebnis zu gelangen, waren laut Bouton lediglich drei atomare Kollisionen nötig. Damit ist auch die Störung des Rubidium-Gases auf nur drei Quanten begrenzt. Ein relevanter Aspekt für die Entwicklung von Sensoren zur störungsarmen Untersuchung von Quantensystemen. Die Studie wurde unter dem Titel »Single-Atom Quantum Probes for Ultracold Gases Boosted by Nonequilibrium Spin Dynamics« in der Fachzeitschrift Physical Review X veröffentlicht.