Die neue Methode, die von einem Team von Physikern der Universität Bonn und der Universität Bristol entwickelt wurde, ermöglicht es, die Position eines Atoms in 3D mit einem einzigen Bild präzise zu bestimmen und basiert auf einem raffinierten physikalischen Prinzip. Unterschiedliche Drehrichtungen der verschiedenen ‘Hanteln’ zeigen an, dass sich die Atome in verschiedenen Ebenen befinden. Die Methode ähnelt der Verwendung eines Mikroskops, um Zellen zu beobachten, jedoch ermöglicht sie eine präzisere Bestimmung der vertikalen Position der Atome.
Um mit den Atomen zu experimentieren, müssen sie zunächst auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt werden, damit sie kaum noch in Bewegung sind. Anschließend ist es beispielsweise möglich, sie in einer stehenden Welle aus Laserlicht einzufangen. Dann werden sie in die Mulden der Welle gleiten, ähnlich wie Eier in einem Eierkarton sitzen. Sobald sie gefangen sind, werden sie einem zusätzlichen Laserstrahl ausgesetzt, der sie dazu anregt, Licht auszusenden. Die resultierende Fluoreszenz erscheint im Quantengasmikroskop als leicht unscharfer, runder Fleck.
Das Team hat eine spezielle Methode entwickelt, um die Wellenfront des Lichts, das vom Atom emittiert wird, zu verformen. Anstelle der typischen runden Flecken erzeugt die verformte Wellenfront auf der Kamera eine Hantelform, die sich um sich selbst dreht. Die Richtung, in die diese Hantel zeigt, hängt von der Entfernung ab, die das Licht vom Atom zur Kamera zurückgelegt hat. Die Hantel verhält sich also ein wenig wie die Nadel eines Kompasses und ermöglicht es, die z-Koordinate der Atome mithilfe ihrer Ausrichtung abzulesen.
Diese neue Methode könnte dazu beitragen, neue Quantenmaterialien mit besonderen Eigenschaften zu entwickeln. Es könnte beispielsweise untersucht werden, welche quantenmechanischen Effekte auftreten, wenn Atome in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind, was es ermöglichen würde, die Eigenschaften dreidimensionaler Materialien teilweise zu simulieren, ohne sie synthetisieren zu müssen. Die Arbeit des Teams wurde in der Zeitschrift Physical Review A veröffentlicht.
