Quantenbeats im Zeptosekundentakt

Forscherteam entwickelt hochpräzises Timing für Quantentechnologien

Quantensysteme werden die Technologien der Zukunft bestimmen. Für ihre Anwendbarkeit müssen diese Systeme allerdings sehr genau kontrolliert und manipuliert werden können. Ein  Forscherteam von DESY und dem MPSD hat jetzt an der PETRA III-Messstation P01 ein Quantensystem mit bisher unerreichbarer zeitlicher Präzision kontrolliert und vermessen. Sie konnten die Schwingung innerhalb eines Atomkerns und dessen ausgesandte Gammastrahlung mit einer Präzision von 1,3 Zeptosekunden kontrollieren und detektieren. Eine Zeptosekunde sind 0,000 000 000 000 000 000 001 Sekunden; der tausendste Teil eines Milliardstels einer Milliardstel Sekunde. Das Team hat dabei eine neue Methode entwickelt, die sich die fundamentalen Anregungen innerhalb eines Festkörpers zu Nutze macht. Solch präzise Einstellmöglichkeiten sind z.B. wichtig in der Quantensensorik, um extrem genaue Zeitstandards festzulegen oder um kleinste Änderungen messen zu können. Die neu entwickelte Kontrollmethode könnte zudem mögliche Anwendungen für Quantencomputer oder Quantenkommunikation bieten, um die Systeme gezielt zu beeinflussen.

Ihre Ergebnisse haben die Forscher an dem Quantensystem eines Atomkerns erzielt. Sie nutzten dafür den Atomkern des Eisen-Isotops 57 (⁵⁷Fe), das in einem Festkörper eingebettet ist. Dieser Festkörper besteht aus einem dünnen magnetischen Film von nur wenigen Nanometern Dicke, in dem sich die Eisenatome befinden. Mittels eines kurzen Röntgenpulses aus der PETRA III-Synchrotronstrahlungsquelle regten die Experimentatoren eine sogenannte Kernresonanz im Eisenatomkern an – eine extrem schnelle Schwingung des Kerns mit einer Periodendauer von nur 287 Zeptosekunden, bei der der Atomkern Gamma- bzw. Röntgenstrahlung aussendet. Zusätzlich – und darin besteht ihre neue Methode zur Manipulation des Atomkerns – regten sie eine zweite Schwingung an, diesmal allerdings im Festkörper. Diese Anregung führten sie mittels Mikrowellen durch und brachten so das gesamte magnetische System im Festkörper in Schwingung. Die magnetische Schwingung, die auch Magnon genannt wird, hat eine Periodendauer von 0,5 Nanosekunden oder 500 000 000 000 Zeptosekunden und ist damit viel langsamer als die Schwingung des Atomkerns. Trotzdem beeinflusst diese zweite Schwingung die Kernresonanz des Atoms. Die Magnonen im Festkörper werden nur für wenige Nanosekunden angeregt, so dass die Änderung der Schwingung im Atomkern nur während dieser kurzen Zeit vorherrscht. Nachdem das Magnon ausgeklungen ist, hat die Schwingung des Atomkerns und damit auch die ausgesandte Gammastrahlung eine kleine Verzögerungszeit erfahren. Diese Verzögerung kann sehr genau kontrolliert werden und konnte bis hinunter zu einer Zeptosekunde gemessen werden.

Um solch kleine Änderungen überhaupt messen zu können, wendeten die Wissenschaftler einen Trick an: Sie vermaßen nicht eine, sondern zwei verschiedene Resonanzen des Atomkerns, die Gammastrahlung von leicht unterschiedlicher Frequenz ausstrahlen. Werden beide Resonanzen des Atomkerns angeregt, entsteht eine Schwebung, ein sich ändernder Verlauf in der Intensität der ausgestrahlten Gammastrahlung. Eine Schwebung entsteht, wenn sich zwei Schwingungen überlagern, die sich in ihrer Frequenz nur wenig voneinander unterscheiden. Dies führt zu einer periodischen Zu- und Abnahme der Amplitude, also Schwingungsstärke. Überlagern sich beispielsweise zwei Töne von fast gleicher Frequenz, hört man einen an- und abschwellenden Ton. Je dichter die Frequenzen der Einzeltöne beieinander liegen, um so langsamer ändert sich die Lautstärke. Man kann so aus der Lautstärkenveränderung ableiten, wie nahe die Frequenzen der Töne sich sind. Die Schwebung in diesem Experiment ist rein quantenmechanischer Art und wird als „Quantenbeat“ bezeichnet. Dieser Quantenbeat ist extrem sensitiv auf winzigste Zeitänderungen im Atomkern. Er tritt allerdings nicht auf der Zeitskala von Zeptosekunden auf, sondern verändert sich über Nanosekunden und ist damit mittels schneller Photodetektoren messbar.

„Wir können das Quantensystem durch die Magnonen sehr flexibel kontrollieren. Durch Dauer und Stärke der Magnonenanregung haben wir die Zeitverzögerung der Atomkerne sehr gezielt einstellt. Den genauen Beginn der Verzögerung bestimmen wir, indem wir die Zeitpunkte der beiden Anregungen zueinander verschieben“, sagt DESY-Forscher Lars Bocklage, der die Experimente geleitet hat. Aus ihren Ergebnissen konnten die Forscher zusätzlich ermitteln, wie zuverlässig diese Zeptosekunden-Verzögerung ist. Diese Genauigkeit liegt unter 50 Yoctosekunden. Eine Yoctosekunde ist ein Tausendstel einer Zetptosekunde. Diese Zeitskala ist sonst nur bei hochenergetischen Elementarteilchen gebräuchlich. Die erreichte Genauigkeit ist beispielsweise kürzer als die Lebensdauer des Higgs-Teilchens.

Die Experimente sind ein erster Schritt, diese neuartige Methode der Kontrolle eines eingebetteten Quantensystems mittels Anregungen des Festkörpers zu nutzen. Dabei gibt es, neben der Erregung von Magnonen, eine Reihe weiterer Festkörperanregungen, die die Gruppe nun testen will, wie Schwingungen des Kristallgitters oder der Elektronen. Die Methode kann auch auf Quantensysteme, die bereits für Quantencomputer diskutiert werden, angewendet werden, z.B. Stickstoff-Fehlstellen in Diamant oder ionendotierte Festkörper.