Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Log inSign up
Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Blog
Job Board
Q3AS

© 2026 Aqora Quantum S.A.S.

TermsPrivacyLegal Notice

Physik in unserer Zeit

Quantenteilchen unter dem Mikroskop

Stefan Kuhr

Published Dec 30, 2010• 2 citations
Publisher

Abstract

Abstract Ultrakalte Atome in einem Lichtgitter können sich wie ein Supraleiter oder ein Isolator verhalten. Physikern ist es nun gelungen, diese Vorgänge mit Hilfe eines Mikroskops Atom für Atom, Gitterplatz für Gitterplatz sichtbar zu machen. Dies ist auch für zukünftige Quantencomputer von großer Bedeutung.
DOI
10.1002/piuz.201090104

Related papers

Quantenratsche für ultrakalte Atome

Tobias Salger, Martin Weitz

Abstract Klassische Ratschen erzeugen aus einer ungerichteten Brownschen Molekularbewegung von Teilchen mit einem zeitlich modulierten sägezahnförmigen Potential einen gerichteten Transport. Sie können die Wirkungsweise biologischer Motoren erklären. Eine spannende Frage ist, ob eine solche Gleichrichtung der Bewegung auch im Quantenbereich und ohne Reibung möglich ist. Unserer Gruppe an der Universität Bonn ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Santiago de Chile gelungen, ein Bose‐Einstein‐Kondensat von Rubidiumatomen in einem sägezahnförmigen Lichtpotential zu bewegen. Dies demonstriert das Grundprinzip mikroskopischer Quantenmotoren.

Physik in unserer Zeit•Apr 27, 2010•0 citations

Ultrakalte Moleküle in Reih und Glied

Markus Deiß, Johannes Hecker Denschlag

Abstract Chemische Reaktionen können stattfinden, wenn Atome oder Moleküle miteinander stoßen. Die Reaktionsdynamik ist dabei abhängig von verschiedenen Parametern, insbesondere auch der relativen Orientierung der Kollisionspartner zueinander. Vor kurzem ist es an der Universität Ulm gelungen, ultrakalte Moleküle innerhalb eines optischen Gitters durch Rotationsanregung auszurichten und diese Ausrichtung mit einer neuartigen Methode zu vermessen. Dies ermöglicht zukünftig die Untersuchung von stereochemischen Reaktionsprozessen bei Temperaturen von unter 1 μK in einem Modellsystem, das sich durch ein Höchstmaß an Kontrolle auszeichnet.

Physik in unserer Zeit•Mar 1, 2015•0 citations

Entwicklung und Aufbau hybrider Quantensysteme für Quantencomputing und Metrologie

Florian Peter Jessen

Die Verknüpfung von Qubits gehört zu den aktuellen Herausforderungen der Quantentechnologie. Dies betrifft einerseits Systeme, die weit voneinander entfernt sind, als auch hybride Systeme, in denen unterschiedliche Realisierungen der Qubits ihre individuellen Stärken ausspielen und anschließend den Quantenzustand auf einen anderen Typ übertragen sollen. In dieser Arbeit wird ein Mischcryostat vorgestellt, der Supraleiter auf Temperaturen unterhalb hundert Millikelvin abkühlen kann und zugleich eine Apparatur zur Präparation von ultrakalten Atomen enthält. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, ultrakalte Atomwolken in dieser Umgebung zu präparieren und zu manipulieren. Im nächsten Schritt müssen die Atomwolken in die Millikelvin-Umgebung transportiert und an einen Chip mit funktionalen supraleitenden Elementen herangeführt werden. Zwar steht die Demonstration des Austausches von Quanteninformation noch aus, dennoch stellt dies einen bedeutenden Schritt in Richtung eines hybriden Quantensystems dar. Es ist von zentraler Bedeutung, den Wärmeeintrag in die Millikelvinumgebung zu minimieren. Gleichzeitig erfordern die typischen magnetischen Fallenpotentiale Ströme im Bereich einiger Ampere. Konventionelle Spulen aus supraleitenden Drähten erzeugen zwar keine Heizleistung, allerdings verbleibt ein Wärmeeintrag durch Wärmeleitung. Einen Ausweg bieten geschlossene supraleitende Schleifen, die von einem permanenten Strom durchflossen werden. In dieser Arbeit wurde die Idee der Baseball-Falle aufgegriffen, die mit einem einzelnen Strompfad eine vollständige Falle realisiert. Dies wurde in einem zweiten System mit einer supraleitenden Schleife umgesetzt. Eine zusätzlich angebrachte konventionelle Spule koppelt magnetischen Fluss in die Schleife ein, wodurch der permanente Strom moduliert werden kann. Diese Spule kann sich an einer anderen Temperaturstufe des Cryostaten befinden, so dass auch die Wärmeleitung unterbunden wird. Als Vermittler zwischen unterschiedlichen Qubits können Rydberg-Atome eine Schlüsselrolle einnehmen, da ihr Anregungsspektrum einen weiten Frequenzbereich überdeckt. Ihre Sensitivität gegenüber elektrischen Feldern erfordert allerdings eine sorgfältige Betrachtung der Umgebung und ggf. eine Abschirmung oder Kompensation der Störfelder. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Referenzsystem aufgebaut, an dem die absoluten Übergangsfrequenzen mit verbesserter Genauigkeit ermittelt und der Einfluss externer Felder untersucht wurden. Auf dieser Basis können nun die Korrekturen vorgenommen werden. Als Referenz für die Frequenzmessungen dient bislang ein Mikrowellenübergang. Verwendet man stattdessen einen optischen Übergang, so wird die Zeit in kleinere Abschnitte unterteilt und somit die Unsicherheit reduziert. Diese optischen Uhren aus neutralen Atomen haben bislang den Nachteil, dass die Messung destruktiv erfolgt. Durch die erneute Präparation steht die Uhr nur einen Bruchteil der Zeit zur Verfügung. Hier wurde ein Konzept erarbeitet, das den Betrieb einer kontinuierlichen optischen Uhr ermöglichen soll. Die erste Stufe der Präparation eines Ensembles ultrakalter Atome konnte bereits demonstriert werden. Im weiteren Verlauf ist eine zweite Präparationsstufe, sowie eine Spektroskopie erforderlich. Letztendlich ist die Anbindung des bestehenden Frequenzkamms geplant, um die erhöhte Genauigkeit auch auf andere Frequenzbereiche zu übertragen. Die erzielten Erkenntnisse tragen zur Weiterentwicklung der Quantentechnologien bei. Einerseits bieten sie die Perspektive Quanteninformationsverarbeitung mit hybriden Systemen aus Supraleitern und ultrakalten Atomen durchzuführen. Dabei kann die optische Schnittstelle mehrere derartige Systeme auch über große Entfernungen miteinander verknüpfen und so die Vision eines Quanten-Internets wahr werden lassen. Optische Uhren werden in absehbarer Zeit die Cäsium-Uhren zur Definition der Sekunde ablösen. Ihre hohe Sensitivität lässt neue Anwendungen in der Metrologie, Geodäsie oder auch Astronomie erwarten.

•Jul 9, 2018•0 citations

Mikroskopie mit einer Quantenspitze

Andreas Günther, József Fortágh

Abstract Die Rastersondenmikroskopie zählt heute zu den bedeutendsten Analysemethoden der modernen Nanotechnologie. Dabei werden mikroskopisch kleine Festkörperspitzen über Oberflächen gerastert, um die Topographie oder andere physikalisch‐chemische Eigenschaften der Oberfläche zu kartographieren. Am Physikalischen Institut der Universität Tübingen ist es nun gelungen, ein neuartiges Rastersondenmikroskop zu entwickeln, bei dem ein verdünntes, ultrakaltes Quantengas aus wenigen tausend Rubidiumatomen als Rastersonde verwendet wird. Damit lassen sich elektromagnetische Eigenschaften und die Topographie von nanostrukturierten Oberflächen mit einer bislang unerreichten Kraftsensitivität bis unter 10−24 N vermessen.

Physik in unserer Zeit•Sep 1, 2011•0 citations

Fermi‐Gase unter dem Mikroskop

Martin W. Zwierlein

Abstract Mit ultrakalten atomaren Gasen lässt sich das Verhalten von Elektronen in Festkörpern simulieren – in extremer Zeitlupe und in tausendfacher Vergrößerung. Elektronen sind Fermionen, Teilchen mit halbzahligem Eigendrehimpuls (Spin), man benötigt also fermionische Atome. Nun wurde ein Mikroskop für atomare Fermi‐Gase entwickelt, mit dem jedes einzelne Atom an seinem Ort aufgelöst werden kann. Damit lassen sich in Zukunft theoretische Modelle beispielsweise der Hochtemperatur‐Supraleitung experimentell testen.

Physik in unserer Zeit•Sep 1, 2015•0 citations

Verschränkung von Spins in Diamant

F. Rempp, Philipp Neumann, Jörg Wrachtrup

Abstract In den letzten Jahren ist es gelungen, freie Teilchen, wie Photonen oder Atome, miteinander zu verschränken. Unsere Gruppe an der Universität Stuttgart konnte jüngst einzelne Kernspins in Diamant verschränken. Da das Experiment bei Raumtemperatur funktioniert, könnte diese Technik für die zukünftige Entwicklung eines Quantencomputers von Bedeutung sein.

Physik in unserer Zeit•Aug 29, 2008•1 citation
Abstract Klassische Ratschen erzeugen aus einer ungerichteten Brownschen Molekularbewegung von Teilchen mit einem zeitlich modulierten sägezahnförmigen Potential einen gerichteten Transport. Sie können die Wirkungsweise biologischer Motoren erklären. Eine spannende Frage ist, ob eine solche Gleichrichtung der Bewegung auch im Quantenbereich und ohne Reibung möglich ist. Unserer Gruppe an der Universität Bonn ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Santiago de Chile gelungen, ein Bose‐Einstein‐Kondensat von Rubidiumatomen in einem sägezahnförmigen Lichtpotential zu bewegen. Dies demonstriert das Grundprinzip mikroskopischer Quantenmotoren.
Abstract Chemische Reaktionen können stattfinden, wenn Atome oder Moleküle miteinander stoßen. Die Reaktionsdynamik ist dabei abhängig von verschiedenen Parametern, insbesondere auch der relativen Orientierung der Kollisionspartner zueinander. Vor kurzem ist es an der Universität Ulm gelungen, ultrakalte Moleküle innerhalb eines optischen Gitters durch Rotationsanregung auszurichten und diese Ausrichtung mit einer neuartigen Methode zu vermessen. Dies ermöglicht zukünftig die Untersuchung von stereochemischen Reaktionsprozessen bei Temperaturen von unter 1 μK in einem Modellsystem, das sich durch ein Höchstmaß an Kontrolle auszeichnet.
Die Verknüpfung von Qubits gehört zu den aktuellen Herausforderungen der Quantentechnologie. Dies betrifft einerseits Systeme, die weit voneinander entfernt sind, als auch hybride Systeme, in denen unterschiedliche Realisierungen der Qubits ihre individuellen Stärken ausspielen und anschließend den Quantenzustand auf einen anderen Typ übertragen sollen. In dieser Arbeit wird ein Mischcryostat vorgestellt, der Supraleiter auf Temperaturen unterhalb hundert Millikelvin abkühlen kann und zugleich eine Apparatur zur Präparation von ultrakalten Atomen enthält. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, ultrakalte Atomwolken in dieser Umgebung zu präparieren und zu manipulieren. Im nächsten Schritt müssen die Atomwolken in die Millikelvin-Umgebung transportiert und an einen Chip mit funktionalen supraleitenden Elementen herangeführt werden. Zwar steht die Demonstration des Austausches von Quanteninformation noch aus, dennoch stellt dies einen bedeutenden Schritt in Richtung eines hybriden Quantensystems dar. Es ist von zentraler Bedeutung, den Wärmeeintrag in die Millikelvinumgebung zu minimieren. Gleichzeitig erfordern die typischen magnetischen Fallenpotentiale Ströme im Bereich einiger Ampere. Konventionelle Spulen aus supraleitenden Drähten erzeugen zwar keine Heizleistung, allerdings verbleibt ein Wärmeeintrag durch Wärmeleitung. Einen Ausweg bieten geschlossene supraleitende Schleifen, die von einem permanenten Strom durchflossen werden. In dieser Arbeit wurde die Idee der Baseball-Falle aufgegriffen, die mit einem einzelnen Strompfad eine vollständige Falle realisiert. Dies wurde in einem zweiten System mit einer supraleitenden Schleife umgesetzt. Eine zusätzlich angebrachte konventionelle Spule koppelt magnetischen Fluss in die Schleife ein, wodurch der permanente Strom moduliert werden kann. Diese Spule kann sich an einer anderen Temperaturstufe des Cryostaten befinden, so dass auch die Wärmeleitung unterbunden wird. Als Vermittler zwischen unterschiedlichen Qubits können Rydberg-Atome eine Schlüsselrolle einnehmen, da ihr Anregungsspektrum einen weiten Frequenzbereich überdeckt. Ihre Sensitivität gegenüber elektrischen Feldern erfordert allerdings eine sorgfältige Betrachtung der Umgebung und ggf. eine Abschirmung oder Kompensation der Störfelder. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Referenzsystem aufgebaut, an dem die absoluten Übergangsfrequenzen mit verbesserter Genauigkeit ermittelt und der Einfluss externer Felder untersucht wurden. Auf dieser Basis können nun die Korrekturen vorgenommen werden. Als Referenz für die Frequenzmessungen dient bislang ein Mikrowellenübergang. Verwendet man stattdessen einen optischen Übergang, so wird die Zeit in kleinere Abschnitte unterteilt und somit die Unsicherheit reduziert. Diese optischen Uhren aus neutralen Atomen haben bislang den Nachteil, dass die Messung destruktiv erfolgt. Durch die erneute Präparation steht die Uhr nur einen Bruchteil der Zeit zur Verfügung. Hier wurde ein Konzept erarbeitet, das den Betrieb einer kontinuierlichen optischen Uhr ermöglichen soll. Die erste Stufe der Präparation eines Ensembles ultrakalter Atome konnte bereits demonstriert werden. Im weiteren Verlauf ist eine zweite Präparationsstufe, sowie eine Spektroskopie erforderlich. Letztendlich ist die Anbindung des bestehenden Frequenzkamms geplant, um die erhöhte Genauigkeit auch auf andere Frequenzbereiche zu übertragen. Die erzielten Erkenntnisse tragen zur Weiterentwicklung der Quantentechnologien bei. Einerseits bieten sie die Perspektive Quanteninformationsverarbeitung mit hybriden Systemen aus Supraleitern und ultrakalten Atomen durchzuführen. Dabei kann die optische Schnittstelle mehrere derartige Systeme auch über große Entfernungen miteinander verknüpfen und so die Vision eines Quanten-Internets wahr werden lassen. Optische Uhren werden in absehbarer Zeit die Cäsium-Uhren zur Definition der Sekunde ablösen. Ihre hohe Sensitivität lässt neue Anwendungen in der Metrologie, Geodäsie oder auch Astronomie erwarten.
Abstract Die Rastersondenmikroskopie zählt heute zu den bedeutendsten Analysemethoden der modernen Nanotechnologie. Dabei werden mikroskopisch kleine Festkörperspitzen über Oberflächen gerastert, um die Topographie oder andere physikalisch‐chemische Eigenschaften der Oberfläche zu kartographieren. Am Physikalischen Institut der Universität Tübingen ist es nun gelungen, ein neuartiges Rastersondenmikroskop zu entwickeln, bei dem ein verdünntes, ultrakaltes Quantengas aus wenigen tausend Rubidiumatomen als Rastersonde verwendet wird. Damit lassen sich elektromagnetische Eigenschaften und die Topographie von nanostrukturierten Oberflächen mit einer bislang unerreichten Kraftsensitivität bis unter 10−24 N vermessen.
Abstract Mit ultrakalten atomaren Gasen lässt sich das Verhalten von Elektronen in Festkörpern simulieren – in extremer Zeitlupe und in tausendfacher Vergrößerung. Elektronen sind Fermionen, Teilchen mit halbzahligem Eigendrehimpuls (Spin), man benötigt also fermionische Atome. Nun wurde ein Mikroskop für atomare Fermi‐Gase entwickelt, mit dem jedes einzelne Atom an seinem Ort aufgelöst werden kann. Damit lassen sich in Zukunft theoretische Modelle beispielsweise der Hochtemperatur‐Supraleitung experimentell testen.