Würdigung und Danksagung
Auf Vorschlag der Joachim Jungius-Gesellschaft
der Wissenschaften verleiht die
DR. HELMUT UND HANNELORE GREVE STIFTUNG
FÜR WISSENSCHAFTEN UND KULTUR
den Förderpreis an
Herrn Diplomphysiker Bernd Appasamy
Institut für Laserphysik, Universität Hamburg
Herr Diplomphysiker Bernd Appasamy hat im Rahmen seiner Dissertation ein einzelnes, im Paulschen Ionenkäfig lokalisiertes und optisch abgekühltes Barium-Ion in wohldefinierten Zuständen der Ionenschwingung im Käfigpotential präpariert durch Laser-Anregung der spektralen, bewegungsinduzierten Phasen-Modulations-Seitenbänder der Resonanzfluoreszenz des Ions, wobei er erstmalig die nichtlineare Kopplung der axialen und radialen Schwingungs-Freiheitsgrade beobachtete, ferner ein neuartiges, stochastisches Kühlungsverfahren für ein einzelnes atomares Teilchen aufgrund wiederholter Zustandsreduktion infolge Abwesenheit der Resonanzfluoreszenz darstellte sowie schließlich die dynamische Erzeugung von nichtklassischen Bewegungszuständen des Ions demonstrierte. Für das Verständnis der Wechselwirkungen von Atomen und Licht, wie sie durch die Quantenoptik beschrieben werden, haben diese Untersuchungen fundamentale Bedeutung, aber auch für die Anwendung eines einzelnen, in seiner Bewegung vollständig charakterisierten Ions zur Frequenzkontrolle eines Laser-Oszillators, der zur Darstellung einer Atomuhr mit weit höherer Genauigkeit dient als die gegenwärtig realisierten Uhren, sowie für die Demonstration eines quantenlogischen Schaltelements auf der Grundlage einiger gespeicherter und lichtkontrollierter Ionen, welches den Baustein für künftige neuartige Rechnerstrukturen bilden könnte.
Hamburg, den 1. November 1996
(Dr. Helmut Greve) (Hannelore Greve)
Stiftungsvorstand
Danksagung von Dipl. phys. BERND APPASAMY
Sehr geehrter Herr Präsident, sehr verehrtes Ehepaar Greve, meine sehr geehrten Damen und Herren!
Vor wenigen Wochen erhielt ich zu meiner großen
Freude die Nachricht, daß meine experimentellen Arbeiten
am einzelnen gespeicherten Barium-Ion mit dem Förderpreis
der „Dr. Helmut und Hannelore Greve Stiftung für Wissenschaft
und Kultur" ausgezeichnet werden. Zunächst möchte
ich mich herzlich für die ehrenvolle Auszeichnung bedanken,
die mir heute durch die Verleihung des Förderpreises ausgesprochen
wird. Dieser Dank gilt den großzügigen Stiftern des
Preises, dem Ehepaar Greve und der Joachim Jungius-Gesellschaft
der Wissenschaften, die meine wissenschaftliche Arbeit für
den Preis ausgewählt hat.
Ferner möchte ich mich bei meinen Lehrern, meinem Doktorvater
Professor Peter Toschek und Professor Werner Neuhauser, bedanken.
Sie gaben mir am Institut für Laser-Physik der Universität
Hamburg die Gelegenheit, an der Apparatur zu arbeiten, mit der
einzelne Barium-Ionen präpariert werden. Ihrer Ausbildung
ist es zu verdanken, daß die Experimente so erfolgreich
durchgeführt werden konnten. Auch allen anderen Mitgliedern
der Arbeitsgruppe danke ich, besonders Dr. Jürgen Eschner
und Diplomphysiker Yves Stalgies, deren Unterstützung ich
mir jederzeit gewiß sein konnte.
Bevor ich auf die Experimente mit einem einzelnen Barium-Ion eingehe,
möchte ich kurz mein Arbeitsgebiet, die Quantenoptik, vorstellen.
In der Quantenoptik beschäftigen wir uns mit der Wechselwirkung
zwischen Licht und Materie. Die kleinsten Bausteine der Materie,
die noch alle Eigenschaften aufweisen, wie sie bei der Wechselwirkung
zwischen Licht und Materie von Bedeutung sind, sind die Atome.
Anfang dieses Jahrhunderts zeigte sich, daß der Aufbau eines
Atoms, bestehend aus dem Atomkern und der Elektronenhülle,
nicht von der klassischen Physik beschrieben werden konnte. Aufgrund
von experimentellen Beobachtungen wurde daher von verschiedenen
Physikern die Quantenmechanik entwickelt. Wesentliche Merkmale
der Quantenmechanik sind zwei Aussagen: Bei der Beschreibung des
Mikrokosmos können nur Wahrscheinlichkeitsaussagen über
die Ergebnisse von Beobachtungen getroffen werden. Und: Die Energie
eines Atoms oder Lichtfeldes kann sich nur in fest definierten
Energieportionen, den Quanten, ändern. Der Wechselwirkung
zwischen den Energiequanten des Lichts einerseits, den Photonen,
und dem Atom andererseits, sowie den daraus resultierenden Phänomenen
widmet sich die Quantenoptik. Ausgangspunkt für theoretische
Überlegungen ist hierbei ein Gedankenexperiment, nämlich
ein einzelnes lokalisiertes Atom in Wechselwirkung mit einem Lichtfeld.
Vor 15 Jahren gelang es mit unserer Apparatur, dieses Gedankenexperiment
im Labor zu realisieren. Ein einzelnes Barium-Ion wurde in einer
miniaturisierten Falle gespeichert und von seiner Umgebung isoliert.
Eine faszinierende Besonderheit dieses Experiments ist, daß
das einzelne Barium-Ion durch das Beleuchten mit Laserlicht für
das Auge direkt sichtbar ist. Das Ion erscheint hierbei dem Experimentator
wie ein heller Stern am Abendhimmel. Mit diesem Experiment konnte
etwa der 1913 von Niels Bohr postulierte quantisierte Energieaustausch
zwischen Atom und Lichtfeld infolge eines Quantensprungs des Elektrons
in der Atomhülle erstmals direkt beobachtet werden.
Das einzelne Barium-Ion ist bei uns in einer 1 mm großen
Falle auf ein Raumvolumen von ca. 50 nm3 lokalisiert. Um eine
Vorstellung von der Größenordnung dieses Aufenthaltsraums
des Ions zu erhalten, stelle man sich vor, daß die 1 mm
große Falle dieser Festsaal sei. Dann ist das Ion in einem
Raum von der Größe einer Stecknadelspitze anzutreffen.
Innerhalb dieses Raumes führt das Ion noch winzige Bewegungen
aus. Diese Bewegungen zu analysieren und wohldefinierte Bewegungszustände
zu erzeugen, war das Ziel der von mir durchgeführten Experimente.
Zur Analyse der Bewegung des gespeicherten Barium-Ions wird ausgenutzt,
daß das Ion ein frequenzverschobenes Lichtfeld sieht, sofern
es sich bewegt. Dieser Effekt, der sogenannte Doppler-Effekt,
ist aus der Akustik bekannt. Bewegt sich z.B. ein Feuerwehrwagen
auf uns zu, so erscheint der Ton des Martin-Horns höher,
als wenn der Wagen sich von uns fortbewegt. Aufgrund der winzigen
Bewegungen des Ions sind die Frequenzänderungen nur sehr
gering. Daher ist ein Laser erfor-derlich, dessen emittiertes
Licht so frequenzrein ist, daß bei der Anregung des Atoms
dieser geringe Einfluß der Bewegung des Ions auf die Wechselwirkung
von Licht und Atom nachgewiesen werden kann. Dieser Nachweis und
die vollständige Analyse der Bewegung wurden durchgeführt.
Das in seiner Bewegung vollständig charakterisierte Ion eignet
sich zur Frequenz-Kontrolle des anregenden Lasers, dieser wiederum
kann das Herz einer Atomuhr sein, die tausendmal genauer ist als
die gegenwärtig besten Uhren. Hieran wird bereits im In-
und Ausland gearbeitet, da solche Uhren z.B. für die extrem
genaue Navigation und Komunikationstechnik von Bedeutung sind.
Eines ist es, die Bewegung des Ions zu ermitteln, etwas anderes,
einen wohl-defi-nierten Zustand seiner Bewegung zu erzeugen. In
meinem Experiment wurden defi-nier-te Laserlichtpulse eingesetzt,
neuartige Zustände der Ionenbewegung zu erzeugen, darunter
auch den nahezu bewegungslosen. Andere dieser Zustände können
nur mit Hilfe der Quantenmechanik verstanden werden – es
sind nichtklassische Zustände –, deren Eigenschaften
sich der direkten Anschauung entziehen. Es scheint, daß
diese Zustände Bedeutung erlangen für quantenlogische
Schaltelemente, die eine Realisierung neuartiger Rechnerstrukturen
erlauben. Milliardenmal schnelleres Rechnen mit ihnen wäre
kein schlechter Preis für die Zähmung einzelner Atome.
Ich danke Ihnen für Ihre freundliche Aufmerksamkeit.