Im Swiss Science Center Technorama befindet sich das Exponat, das du gerade benutzt. Was du auf der Webcam siehst, sind tatsächlich einzelne geladene Atome, sogenannte Ionen des Bariums. Um diese Ionen jedoch SEHEN zu können, muss man sie zuerst einfangen.

Im Mittelpunkt des Exponats steht eine so genannte Ionenfalle - ein Gerät, das elektrische Felder nutzt, um Ionen einzufangen. Dieses spezielle Experiment wurde in der Trapped Ion Quantum Information Group an der ETH Zürich entwickelt.

Die goldene, äußere Hülle, die du siehst, ist eine Vakuumkammer, die notwendig ist, um unsere Ionen zu isolieren. Im Inneren der Kammer herrscht ein Druck von weniger als 2x10 ^-11 mBar - das entspricht ungefähr dem Druck auf dem Mond! Wenn man die Kammer öffnen würde, sähe sie wie abgebildet aus.

Aber wie bekommen wir die Ionen überhaupt in die Falle?

Zunächst müssen wir frei fliegende Atome erzeugen. In der Nähe der Falle befindet sich ein kleines Metallrohr, das mit Bariummetall gefüllt ist. Wir erhitzen dieses Rohr, wodurch ein Dampf von Bariumatomen entsteht. Diese Atome fliegen auf die Falle zu und durchqueren in der Mitte einen 413 nm Laser, der den Bariumatomen genug Energie zuführt, um ein einzelnes Elektron abzureißen. Dadurch werden die Bariumatome in positiv geladene Bariumionen umgewandelt.

Ohne weitere Maßnahmen würden diese Ionen jedoch einfach weiterfliegen. Um die Ionen einzufangen, nutzen wir also die Tatsache, dass diese geladenen Ionen durch die Coulomb-Kraft von elektrischen Feldern beeinflusst werden können. Statische Felder reichen nicht aus, um die Ionen stabil zu halten, sondern wir brauchen ein schwingendes Feld. Um dieses zu erzeugen, verwenden wir eine Ionenfalle.

In diesem Experiment haben wir eine so genannte lineare Ionenfalle oder Paul-Falle (nach Wolfgang Paul) verwendet, die aus vier blattförmigen Elektroden und zwei zylindrischen Elektroden besteht. Zwei der blattförmigen Elektroden sind geerdet (0 V), während wir an die beiden anderen abwechselnd positive und negative Spannungen anlegen. Dadurch entsteht ein oszillierendes elektrisches Feld, das die positiv geladenen Ionen abwechselnd anzieht und abstößt.

Durch sorgfältige Abstimmung der Frequenz, mit der die Spannung wechselt, können wir die Ionen einfangen. Allerdings halten diese vier Blattelektroden die Ionen nur in radialer Richtung fest. Um die Ionen entlang der Längsachse der Falle festzuhalten, braucht man die zylindrischen Elektroden. Wir legen eine positive Spannung an, wodurch die Ionen in die Mitte der Falle gedrückt werden. Da dieser Einschluss schwächer ist als in radialer Richtung, neigen die Ionen dazu, sich in einer schönen, linearen Kette aufzureihen.

Aber warum können wir die Ionen sehen?

Um die Ionen zu sehen, müssen wir sie anregen. Allerdings ist die Wellenlänge des Lichts, das wir dazu verwenden, wichtig, da Ionen Quantenobjekte sind und quantisierte (diskrete) Energieniveaus haben. Die Energieniveaus der Ionen werden durch ihre Elektronen bestimmt, insbesondere durch die Schale (1,2,3...) und das Orbital (S,P,D...), in dem sie sich befinden. Die relevanten Energieniveaus für die Barium-Ionen in unserem Experiment sind links dargestellt.

Wir verwenden einen grünen Laser mit einer Wellenlänge von 493 nm , mit dem wir die Bariumatome vom Zustand 6S_1/2 zu 6P_1/2 anregen können. Jedes Mal, wenn das Ion in den ursprünglichen Energiezustand zurückfällt, wird dieselbe Energie erneut als Licht emittiert. Wir sammeln dieses Licht und senden es an eine Kamera (oder das Auge), damit wir es sehen können. Da das Ion im Zustand 6S_1/2 angeregt werden kann, nennen wir diesen Zustand hell.

Wenn wir stattdessen blaues Licht mit einer Wellenlänge von 455 nm in die Falle strahlen, können wir das Ion erneut anregen, allerdings zum Zustand 6P_3/2, der schnell (in wenigen Nanosekunden) in den Zustand 5D_5/2 fällt. Solange sich das Ion in diesem Zustand befindet, reicht die Energie des grünen Lasers nicht mehr aus, um das Ion anzuregen, und es wird kein Licht aussenden. Daher sieht es für uns so aus, als ob das Ion verschwindet, und wir nennen diesen 5D_5/2-Zustand dunkel.

Nach kurzer Zeit fällt das Ion wieder in den Ausgangszustand (6S_1/2) zurück und wird wieder hell. Wir können nicht vorhersagen, wann dies bei einem einzelnen Ion der Fall sein wird! Man sieht aber, dass man mit vielen Messungen trotzdem etwas über die Ionen lernen kann. Wenn du viele Ionen mit blauem Licht in den dunklen Zustand anregst und die Zeit, die sie in diesem Zustand verbringen, in einem Histogramm aufzeichnest, solltest du sehen, dass das Histogramm beginnt, wie ein exponentieller Zerfall auszusehen. Im Beispiel von Barium sollte man dann sehen, dass nach 31 Sekunden etwa 2/3 der Atome wieder hell geworden sind. Diese Zeit nennt man die Lebensdauer des dunklen Zustands.