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Dieses Foto eines einzelnen Atoms ist atemberaubend – doch ihr müsst die Lupe rausholen

Ein österreichischer Doktorand lässt die Herzen von Quantenforschern höher schlagen. Die Technik hinter seiner Aufnahme könnte ein Schritt zum Quantencomputer der Zukunft sein.
14.2.18
Bild: David Nadlinger, University of Oxford, EPSRC | Verwendet mit freundlicher Genehmigung

Die Luft, die wir atmen, die Zellen unseres Körpers, all das lässt sich herunterbrechen auf Atome – nur sehen können wir sie nicht einfach so. Eines dieser unvorstellbar winzigen Dinger hat der Österreicher Doktorand David Nadlinger von der Universität Oxford nun ablichten können.

Der britische Forschungsrat für Ingenieurs- und Naturwissenschaften (EPSRC) hat die Aufnahme nun als "Bestes wissenschaftliches Foto" ausgezeichnet; entstanden ist das Bild bereits im August des vergangenen Jahres. "Mich hat die Idee begeistert, ein einzelnes Atom mit dem bloßen Augen zu sehen – als wunderbar direkte und sinnliche Brücke zwischen der winzigen Quantenwelt und unser makroskopischen Realität", erklärt Nadlinger auf der Website des Forschungsrats.

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Unter anderem zwei Dinge machen es schwer, ein einzelnes Atom zu fotografieren: Erstens halten Atome nicht von alleine still und zappeln umher, was für einen Schnappschuss alles andere als hilfreich ist. Zweitens sind einzelne Atome so winzig, dass sie nicht einfach so Licht reflektieren. Das macht sie sowohl für menschliche Augen als auch für professionelle Kameras schlicht unsichtbar.

Ionenfalle und Laserbeschuss

Um das Atom einzufangen, hat David Nadlinger also eine Falle gebaut, eine sogenannte Ionenfalle. Zwei Elektroden aus Metall halten das Atom in einem Energiefeld fest, heißt es auf der Website des EPSRC. Die hauchdünnen Spitzen der Elektroden sind nur etwa zwei Millimeter voneinander entfernt. In ihrer Mitte schwebt das stark heruntergekühlte Atom im Vakuum. Es handelt sich um ein Strontium-Atom: ein Erdalkalimetall, wie es zum Beispiel in der Erdkruste zu finden ist.

Damit das auf diese Weise gefesselte Atom genügend Licht reflektiert, wird es gezielt mit einem blau-violetten Laser bestrahlt. Laut EPSRC absorbiert und reflektiert das Atom das Licht ausreichend schnell, sodass es sogar für eine gewöhnliche Kamera mit Langzeitbelichtung sichtbar wird – zumindest als winziger, heller Punkt.

"Für mich ist es vor allem eine schöne Erinnerung daran, was mich zu den Naturwissenschaften gebracht hat: Die faszinierenden Beobachtungen und Entdeckungen, die man überall im Universum machen kann, wenn man sich nur die Zeit nimmt, genau hinzusehen."

Obwohl das Verfahren kompliziert klingt, halte sich der wissenschaftliche Gehalt des Fotos in Grenzen, wie David Nadlinger im Gespräch mit Motherboard erklärt. "Einzelne Atome einzufangen und mit Lasern zu kühlen gehört seit einigen Jahrzehnten zum Standardprogramm, und das Bild hätte genauso gut in einigen dutzend, wenn nicht hunderten anderen Laboren weltweit entstehen können." Ist es aber nicht.

Der Forscher sieht in der Aufnahme übrigens aus einem anderen Grund etwas Besonderes: "Für mich ist es vor allem eine schöne Erinnerung daran, was mich zu den Naturwissenschaften gebracht hat: Die faszinierenden Beobachtungen und Entdeckungen, die man überall im Universum machen kann, wenn man sich nur die Zeit nimmt, genau hinzusehen."


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Auf dem Weg zum Quantencomputer

Entstanden ist Foto während der Forschung an Quantencomputern, wie die Forschergruppe um Nadlinger auf ihrer Website erklärt. Vereinfacht gesagt sind das Computer, die im Gegensatz zu herkömmlichen Rechnern auf Grundlage von Gesetzen der Quantenmechanik arbeiten. Dadurch sollen sie einige komplexe Probleme schneller lösen können und eines Tages möglicherweise unseren heutigen Computern überlegen sein.

Das Atom in der Ionen-Falle könnte die Grundlage sein, um Informationen mit Quantenmechanik zu verarbeiten. Dazu wollen die Forscher eine Reihe solcher Ionen-Fallen miteinander verbinden, um eine Art Quantenprozessor zu erschaffen. Obwohl unter anderem Google, IBM und Microsoft an Quantencomputern forschen, steht ein Durchbruch der Technologie noch bevor.

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