Während thermodynamische Systeme im Allgemeinen durch Mittelung über viele Körpersysteme behandelt werden, versuchen wir, solche Systeme bis hinunter zur äußersten Grenze eines einzelnen Atoms zu skalieren [1,2]. Wir haben experimentell einen nanoskaligen Wärmemotor demonstriert, der ein einzelnes Ion als Arbeitsgas verwendet. Ein Sterling-Zyklus-Motor wurde implementiert, indem das Ion in einer linearen Paul-Falle mit verjüngter Geometrie eingeschlossen und mit technischen Reservoirs gekoppelt wurde. Die Veröffentlichung wurde von Physics Welt unter die Top Ten der physikalischen Durchbrüche des Jahres 2016 gewählt. Um eine solche Wärmekraftmaschine zu realisieren, wird ein einzelnes Ion in einer linearen Paul-Falle mit verjüngter Geometrie gefangen (siehe Abb. 1). Es koppelt an thermische Reservoirs, die durch Laserstrahlung und maßgeschneidertes elektronisches Rauschen an den Elektroden erzeugt werden. Diese Reservoirs heizen und kühlen abwechselnd die radialen thermischen Zustände des Ions. Der Zyklus des Heizens und Kühlens wiederholt sich in Resonanz mit der regionalen Eigenfrequenz des Ions, wodurch eine Temperaturänderung im radialen Zustand in eine kohärente Bewegung entlang der Symmetrieachse der Falle umgewandelt wird. Dieses Experiment eröffnete einen neuen Bereich für die Untersuchung der Thermodynamik auf Einzelatomebene und im Quantenbereich. In diesem Projekt versuchen wir, experimentelle Antworten auf viele interessante Fragen zu geben, wenn Thermodynamik auf die Quantenwelt trifft. Dieses Projekt wird derzeit von der Forschergruppe "Thermische Maschinen im Quantenregime" gefördert.

Dieses von der Volkswagenstiftung geförderte Projekt wurde in Kassel von den Arbeitsgruppen um die Forscher Singer, Koch, Reithmaier und Popov gestartet. Ziel dieses Projektes ist es, mit Hilfe des No-Cloning-Theorems der Quantenmechanik nichtduplizierbare Quantenmünzen herzustellen und mit dieser Technik verbesserte Quantensensoren zu entwickeln. Denn die notwendige Optimierung der Systeme gegen Dekohärenz-Effekte ermöglicht die Implementierung von selektiveren Sensoren. Durch den Einsatz von Optimal Control Methoden, die in der AG Koch entwickelt wurden, können optimierte Pulsfolgen entwickelt werden, um diese Ziele zu erreichen.

Hier präsentieren wir unter Verwendung einer deterministischen Quelle von einzelnen lasergekühlten Praseodym-Ionen die Herstellung von Arrays von Praseodym-Farbzentren in Yttrium-Aluminium-Granat-Substraten. Der Strahl einzelner Praseodym-Ionen wird aus einer Paul-Falle extrahiert und bis auf 30(9) nm fokussiert. Mit Hilfe eines Konfokal-Mikroskops ermitteln wir eine Umwandlungsausbeute in aktive Farbzentren von bis zu 50% und realisieren eine Platzierungsgenauigkeit von 34 nm. [3]. Dieses Projekt wird derzeit von der Volkswagen-Stiftung und der LOEWE-Initiative SMolBits gefördert.

[1] A single-atom heat engine, Science, 352, 325-329 (2016).
[2] Transient non-confining potentials for speeding up a single ion heat pump, New Journal of Physics, 20, 105001 (2018).
[3] Karin Groot-Berning, Thomas Kornher, Georg Jacob, Felix Stopp, Samuel T. Dawkins, Roman Kolesov, Jörg Wrachtrup, Kilian Singer, and Ferdinand Schmidt-Kaler. Phys. Rev. Lett. 123, 106802 (2019).