Physik in unserer Zeit

Bauen mit einzelnen Atomen

Gerhard Meyer, Karl‐Heinz Rieder

Published Feb 1, 2000• 3 citations

Abstract

Das Rastertunnelmikroskop war ursprünglich zur Abbildung von Oberflächenstrukturen mit atomarer Auflösung erfunden worden. Mit zunehmender technischer Perfektion wird es jetzt zu einem Instrument, mit dem sich atomare Strukturen nach der Methode Atom auf Atom herstellen lassen. Damit ist eine wichtige Grundlage für zukünftige Quantentechnologien geschaffen.

DOI: 10.1002/(sici)1521-3943(200002)31:1<8::aid-piuz8>3.0.co;2-p

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Lithographie und Materialwellenoptik mit lasergekühlten Atomstrahlen

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Zusammenfassung Innerhalb der modernen Atomphysik hat sich die Atomoptik als ein zentrales Forschungsfeld etabliert.Insbesondere die Atomlithographie, die eine der bedeutendsten Anwendungen der Atomoptik ist, und atomare Leiterstrukturen nehmen dabei eine herausragende Stellung ein.Während alle bisherigen Experimente auf dem Gebiet der Atomlithographie stets mit thermischen Atomstrahlen durchgeführt wurden, demonstriert die vorliegende Arbeit den erstmaligen Einsatz eines abgebremsten Atomstrahles für die Atomlithographie, woraus sich für dieses Verfahren innovative Perspektiven ergeben.Darüber hinaus befaßt sich diese Arbeit auch mit der Entwicklung magnetischer Leiterstrukturen, die sich als ein flexibles neues atomoptisches Element zur Manipulation langsamer Strahlen erweisen.Im Rahmen des Forschungsschwerpunktes Atomlithographie wurden sowohl verschiedenartige Resists für Ne* als auch der Einsatz von Lichtkräften zur Nanostrukturierung charakterisiert und bewertet.Zwei der untersuchten Resists stammten dabei aus dem Gebiet der SAMs (self-assembled monolayers).Hier konnte experimentell gezeigt werden, daß SAM-Schichten, die von Dodecanthiol-Molekülen bzw.von Octadecyltrichlorsilan-Molekülen (OTS) gebildet werden, durch Bestrahlung mit Ne* in geeigneter Weise verändert werden können.Im Falle des OTS gelang es sogar mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM), erstmalig in der Atomlithographie mit metastabilen Edelgasen einen direkten Topographiekontrast ohne jeglichen Ätzprozeß festzustellen.Dies erlaubt Rückschlüsse auf die Schädigung, die SAM-Schichten bei Bestrahlung mit Ne* erfahren.Weiterhin konnte auch die durch Ne* induzierte Abscheidung von Hintergrundgasmolekülen benutzt werden, um Ätzmasken zu erzeugen und damit Oberflächen zu strukturieren.Als Prototyp für ein atomoptisches Element, mit dem eine Fokussierung des Atomstrahles bis in den Nanometerbereich möglich ist, wurde eine optische Stehwelle untersucht.Zur theoretischen Simulation wurden sowohl klassische Trajektorienrechnungen als auch eine quantenmechanische Wellenpropagation benutzt.Schwierigkeiten, die sich bei der Fokussierung speziell eines langsamen Strahles ergaben, konnten durch die Entwicklung eines Verfahrens umgangen werden, welches zusätzlich zum Fokussieren auch einen Umpumpprozeß zwischen inneren Zuständen der Atome ("Quenching") verwendet.Die erfolgreiche Lokalisation von Atomen im Inneren einer solchen Stehwelle konnte experimentell sowohl indirekt mit Hilfe eines MCP-Detektors als auch direkt mit Hilfe der Atomlithographie nachgewiesen werden.Als neues und flexibles atomoptisches Element für langsame Atomstrahlen, welches sowohl für die Atomlithographie als auch für viele Grundlagenexperimente zukunftsweisend ist, wurden magnetische Leiterstrukturen entwickelt, eingesetzt und charakterisiert.Die zum Führen des Atomstrahles benutzten Magnetfelder wurden dabei durch stromdurchflossene Leiter erzeugt.Hiermit gelang es u.a., den Atomstrahl entlang eines s-kurvenförmigen Verlaufes mit Kurvenradien von 45 cm zu führen.Schließlich wurde auch eine Miniaturisierung solcher Leiter in Form von lithographisch auf einer Chipoberfläche aufgebrachten elektrischen Leiterbahnen demonstriert.Dies stellt einen ersten Schritt auf dem Weg zu integrierten atomoptischen Elementen dar, bei denen alle Komponenten eines Experimentes auf einem einzigen Chip integriert werden.Die vorliegende Arbeit dokumentiert damit nicht nur innovative Verfahren zur Nanostrukturierung von Oberflächen, sondern zeigt zudem auch zukünftige Wege für eine integrierte und kohärente Atomoptik mit weitreichenden Anwendungsgebieten auf.

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Hochauflösende optische Spektroskopie an lasergekühlten Atomen basierend auf der Atominterferometrie im Zeitraum

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3,2#10 13 (-/s) 1/2 Laserkühlung, Atominterferometrie, Spektroskopie Zusammenfassung Die Atominterferometrie besitzt aufgrund der kurzen de Broglie-Wellenlänge der atomaren Wellen eine immenses Potential für hochgenaue Messungen.Durch die Verknüpfung der Atominterferometrie mit den Methoden der Laserkühlung kann eine lange Verweildauer der Atome im Interferometer und eine damit einhergehende weitergehende Steigerung der Präzision erreicht werden.Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Verfahren zur Steigerung des Auflösungsvermögens bei der Atominterferometrie im Zeitraum und der Demonstration der erreichten Auflösung anhand der hochauflösenden Spektroskopie der Magnesium-Interkombinationslinie.Hierzu wurde eine magnetooptische Falle für Magnesiumatome im Hinblick auf atominterferometrische Messungen optimiert.Die dominierenden Fallenverlustprozesse und der Wiedereinfang des atomaren Ensembles nach einer endlichen Fallenauszeit wurden systematisch untersucht.Die Sensitivität des Interferenzsignals auf die Laserphase der Strahlteilerpulse konnte zur hochauflösenden Spektroskopie der Magnesium-Interkombinationslinie bei 457 nm ausgenutzt werden.Die schmalsten beobachteten Strukturen besitzen eine Linienbreite von 491 Hz.Bei einer Übergangsfrequenz von 655 THz entspricht dies einer Liniengüte von , welches die 1,3#10 12 höchste bisher für die Spektroskopie an neutralen Atomen publizierte Liniengüte übertrifft.Der Einsatz des Interferometers als optischer Frequenzstandard wird diskutiert.Die detektierten Interferenzsignale lassen eine Stabilität von erwarten.In der Atominterferometrie läßt sich wie in der optischen Interferometrie eine Steigerung der Sensitivität durch Vielstrahlinterferenzen erwarten.Anhand theoretischer Berechnungen wird ein Aufbau diskutiert, mit dem sich das bestehende Atominterferometer im Zeitraum zu einem Vielstrahlinterferometer mit beliebig vielen interferierenden Teilwellen erweitern läßt.In ersten Experimenten mit drei bzw.vier interferierenden Teilwellen konnten die für Vielstrahlinterferenzen charakteristischen Signalverläufe detektiert werden.Für die hochauflösende Spektroskopie sowie die Interferometrie mit kohärenten atomaren Ensemblen ist die Verwendung atomarer Ensemble möglichst geringer Temperatur bzw.hoher Phasenraumdichte wünschenswert.Es wird ein Verfahren vorgestellt, welches die Kühlung von gespeicherten Magnesiumatomen bis auf wenige µK erlaubt.Die Möglichkeit der Speicherung von Magnesiumatomen im -und -Zustand im Intensitätsmaximum eines fokussierten S 1 0 P 3 1 Nd:YAG-Laserstrahls wird aufgezeigt.Numerische Berechnungen zeigen, daß sich durch Einstrahlung eines zum Interkombinationsübergang rotverstimmten Lichtfeldes eine Kühlung der gespeicherten Atome mit einer Zeitkonstante in der Größenordnung 1 s erreichen läßt.Der im Rahmen der Arbeit durchgeführte Einsatz der Atominterferometrie im Zeitraum für die Hochpräzisionsspektroskopie und die aufgezeigten Methoden zur Steigerung des Auflösungsvermögens ebnen den Weg für weitere Hochpräzisionsmessungen. 3,2#10 13 (-/s) 1/2 Laser cooling, atom interferometry, spectroscopy

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