Mit lasergekühlten Ionen die Reibung besser verstehen

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Forscher des Quest-Instituts in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) haben ein Modellsystem präsentiert, mit dem sie atomgenau Reibungseffekte und -dynamik untersuchen können, die denen in Proteinen, DNA-Strängen oder anderen deformierbaren Nanostrukturen ähnlich sind. Das Modellsystem bestehe aus lasergekühlten Ionen, die sogenannte Coulomb-Kristalle bilden, erklären die Forscher. Mit ihnen haben sie experimentell und in zusätzlichen Simulationsrechnungen grundlegende Erkenntnisse über Reibungsvorgänge in atomaren Systemen gewonnen. 

Ytterbiumionen mithilfe von Lasern abkühlen

Möchte man Reibung in der atomaren Welt möglichst gut messen, steht dafür das Reibungskraftmikroskop zur Verfügung. Die Erforschung der Reibungsdynamik ist hingegen schwieriger: "Der direkte Zugriff auf die Dynamik zweier reibender Systeme ist experimentell nahezu unmöglich. Daher braucht man Modellsysteme, in denen man die Atome zeitlich und räumlich gut kontrollieren kann, um sie zu untersuchen", erklärt PTB-Physikern Tanja E. Mehlstäubler. Ein solches System haben die PTB-Forscher zusammen mit Kollegen aus Sydney jetzt vorgestellt: Sie kühlen in einer Ionenfalle gefangene Ytterbiumionen mithilfe von Lasern soweit (nämlich auf ein paar Millikelvin) herunter, bis sie einen Kristall bilden, der aus zwei Ketten besteht. Die Ionen ordneten sich so an, dass der nächste Nachbar immer am weitesten entfernt sei, erklären die Wissenschaftler. Man spreche von einem Zigzag. 

Zwei solcher Ionenketten sollen sehr gut die beiden Partner eines Reibungsvorganges abbilden – und könnten dabei auch noch sehr genau beobachtet werden. Denn wenn man die Ytterbiumionen mit Licht bestrahle, dessen Frequenz in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz liege, dann fluoreszieren sie. "So können wir mithilfe unserer Abbildungsoptik die einzelnen atomaren Teilchen in ihrer Bewegung beobachten", erläutert der PTB-Physiker Jan Kiethe, Erstautor der Studie. Dabei wurde ein Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Phasen beobachtet und analysiert, der durch die Präsenz eines strukturellen Gitterdefektes ausgelöst wurde. In einem Regime dominiert die Haftreibung den Ladungstransport, im anderen die Gleitreibung.

Dynamik der Ionenketten vergleichbar mit der von Molekülketten

Die Dynamik der Ionenketten sei vergleichbar mit der von Molekülketten, wie sie zum Beispiel in der DNS vorliegen würden, so die Forscher. Damit haben sie ein physikalisches Modellsystem geschaffen, mit dem sich in Zukunft die komplexe Dynamik der Reibung in 1- ,2- und 3-D-Systemen atomar genau untersuchen lasse, und darüber hinaus die Erforschung von Transportphänomenen in der Quantenwelt eröffne.

Das Projekt wurde unterstützt durch die Deutsche Forschungsgesellschaft den Deutschen Akademischen Auslandsdienst (DAAD) und den EPSRC National Quantum Technology Hub in Networked Quantum Information Processing. Die Forscher haben ihre Ergebnisse im Fachmagazin Nature Communications präsentiert.

Bilderläuterung: 30 Ytterbium-Ionen werden in einer linearen Paul-Falle gefangen. Laser 1 beleuchtet den gesamten Kristall und bringt ihm zum Fluoreszieren. Das Licht wird mit einem hochauflösenden Objektiv eingesammelt und auf eine Kamera abgebildet. Laser 2 wird auf eine der beiden Ketten ausgerichtet, sodass zwischen ihnen eine differenzielle Lichtkraft wirkt.