Main achievements: Slowing and stopping a beam of light

Lene Vestergaard Hau ist eine dänische Physikerin, die derzeit Mallinckrodt-Professorin für Physik und Angewandte Physik an der Harvard University ist. Sie promovierte an der Universität Aarhus. 1999 leitete sie ein Team der Harvard University, dem es mithilfe eines Bose-Einstein-Kondensats gelang, einen Lichtstrahl auf etwa 17 Meter pro Sekunde zu verlangsamen und 2001 einen Strahl vollständig zu stoppen. Spätere Arbeiten, die auf diesen Experimenten basierten, führten zur Übertragung von Licht auf Materie und dann von Materie zurück in Licht, ein Prozess mit wichtigen Implikationen für die Quantenverschlüsselung und das Quantencomputing. Neuere Arbeiten befassten sich mit der Erforschung neuartiger Wechselwirkungen zwischen ultrakalten Atomen und Systemen im nanoskopischen Maßstab. Neben dem Unterrichten von Physik und angewandter Physik unterrichtete sie in Harvard Energiewissenschaften mit Photovoltaik-Zellen, Kernkraft, Batterien und Photosynthese. Neben ihren eigenen Experimenten und Forschungen wird sie häufig zu Vorträgen auf internationalen Konferenzen eingeladen und ist an der Strukturierung der Wissenschaftspolitik verschiedener Institutionen beteiligt. Sie war Hauptrednerin der EliteForsk-konferenzen 2013 („Elite Research Conference“) in Kopenhagen, an der Minister der Regierung sowie hochrangige Wissenschafts- und Forschungsentwickler in Dänemark teilnahmen. In Anerkennung ihrer vielen Leistungen würdigte das Discover Magazine sie 2002 als eine der 50 wichtigsten Frauen in der Wissenschaft.Nach ihrem Bachelor-Abschluss in Mathematik im Jahr 1984 setzte Hau ihr Studium an der Universität Aarhus für ihren Master-Abschluss in Physik fort, der zwei Jahre später verliehen wurde. Für ihre Doktorarbeit in der Quantentheorie arbeitete Hau an Ideen, die denen von lichtleitenden Glasfaserkabeln ähnelten, aber ihre Arbeit beinhaltete Atomketten in einem Siliziumkristall, die Elektronen trugen. Während ihrer Promotion verbrachte Hau sieben Monate am CERN, dem Europäischen Labor für Teilchenphysik in der Nähe von Genf. Sie promovierte 1991 an der Universität Aarhus in Dänemark, doch zu diesem Zeitpunkt hatten sich ihre Forschungsinteressen geändert. 1991 trat sie dem Rowland Institute for Science in Cambridge, Massachusetts, als wissenschaftliche Mitarbeiterin bei und begann, die Möglichkeiten von langsamem Licht und kalten Atomen zu erforschen. 1999 nahm Hau eine zweijährige Berufung als Postdoktorand an der Harvard University an. Ihre formalisierte Ausbildung ist in theoretischer Physik, aber ihr Interesse bewegte sich zur experimentellen Forschung, um eine neue Form der Materie zu schaffen, die als Bose–Einstein-Kondensat bekannt ist. „Hau beantragte bei der National Science Foundation Mittel für die Herstellung einer Charge dieses Kondensats, wurde jedoch mit der Begründung abgelehnt, dass sie eine Theoretikerin sei, für die solche Experimente zu schwierig wären.“ Unbeirrt gewann sie alternative Finanzierung und wurde eine der ersten Handvoll Physiker, die ein solches Kondensat erzeugten. Im September 1999 wurde sie zur Gordon Mckay Professorin für Angewandte Physik und Professorin für Physik an der Harvard University ernannt. 1999 erhielt sie eine Anstellung und ist heute Mallinckrodt-Professorin für Physik und Angewandte Physik an der Harvard University. Im Jahr 2001 war sie die erste Person, die das Licht vollständig stoppte, indem sie ein Bose–Einstein-Kondensat verwendete, um dies zu erreichen. Seitdem hat sie umfangreiche Forschungen und neue experimentelle Arbeiten in elektromagnetisch induzierter Transparenz, verschiedenen Bereichen der Quantenphysik und Photonik durchgeführt und zur Entwicklung neuer Quantenbauelemente und neuartiger nanoskaliger Anwendungen beigetragen. Hau und ihre Mitarbeiter an der Harvard University „haben in mehreren Experimenten eine exquisite Kontrolle über Licht und Materie gezeigt, aber ihr Experiment mit 2 Kondensaten ist eines der überzeugendsten“. 2006 gelang es ihnen, ein Qubit mit Hilfe von Bose–Einstein-Kondensaten von Licht auf eine Materiewelle und wieder zurück ins Licht zu übertragen. Details des Experiments werden in der Veröffentlichung der Zeitschrift Nature vom 8. Februar 2007 diskutiert. Das Experiment beruht auf der Art und Weise, wie sich Atome nach der Quantenmechanik sowohl als Wellen als auch als Teilchen verhalten können. Dadurch können Atome einige nicht eingängige Dinge tun, z. B. zwei Öffnungen gleichzeitig passieren. Innerhalb eines Bose-Einstein-Kondensats wird ein Lichtimpuls um den Faktor 50 Millionen komprimiert, ohne dass die darin gespeicherten Informationen verloren gehen. In diesem Bose–Einstein-Kondensat können Informationen, die in einem Lichtimpuls kodiert sind, auf die Atomwellen übertragen werden. Da sich alle Atome kohärent bewegen, löst sich die Information nicht in zufälliges Rauschen auf. Das Licht treibt einige der etwa 1,8 Millionen Natriumatome der Wolke an, um in „Quantenüberlagerungszustände“ einzutreten, wobei eine Komponente mit niedrigerer Energie, die an Ort und Stelle bleibt, und eine Komponente mit höherer Energie, die sich zwischen den beiden Wolken bewegt. Ein zweiter ‚Kontroll‘-Laser schreibt dann die Form des Pulses in die Atomwellen. Wenn dieser Steuerstrahl ausgeschaltet wird und der Lichtimpuls verschwindet, bleibt die ‚Materiekopie‘ erhalten. Zuvor konnten die Forscher optische Informationen während ihrer Reise nicht ohne weiteres kontrollieren, außer um das Signal zu verstärken, um ein Ausbleichen zu vermeiden. Dieses Experiment von Hau und ihren Kollegen markierte die erste erfolgreiche Manipulation kohärenter optischer Informationen. Die neue Studie ist „eine schöne Demonstration“, sagt Irina Novikova, Physikerin am College of William and Mary in Williamsburg, VIRGINIA. Vor diesem Ergebnis, sagt sie, wurde die Lichtspeicherung in Millisekunden gemessen. „Hier sind es Sekundenbruchteile. Es ist eine wirklich dramatische Zeit.“Während sich die Materie zwischen den beiden Bose–Einstein-Kondensaten bewegt, können wir sie möglicherweise für Minuten einfangen und neu formen – ändern – wie wir wollen. Diese neuartige Form der Quantenkontrolle könnte auch Anwendungen in den sich entwickelnden Bereichen der Quanteninformationsverarbeitung und der Quantenkryptographie haben.“ Von den entwicklungspolitischen Implikationen „bietet dieses Kunststück, das Teilen von Quanteninformationen in Lichtform und nicht nur in einer, sondern in zwei Atomformen, eine große Ermutigung für diejenigen, die hoffen, Quantencomputer zu entwickeln“, sagte Jeremy Bloxham, Dekan der Wissenschaften an der Fakultät für Künste und Wissenschaften. Hau wurde für diese Arbeit mit dem George Ledlie Prize ausgezeichnet, Harvard-Propst Steven Hyman bemerkte: „Ihre Arbeit ist wegweisend. Ihre Forschung verwischt die Grenzen zwischen Grundlagen- und angewandter Wissenschaft, stützt sich auf das Talent und die Menschen zweier Schulen und mehrerer Abteilungen und liefert ein buchstäblich leuchtendes Beispiel dafür, wie gewagte intellektuelle Risiken zu tiefgreifenden Belohnungen führen.“
Im Jahr 2009 haben Hau und sein Team Wolken aus einer Million Rubidium-Atomen auf einen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt lasergekühlt. Dann starteten sie diese millimeterlange Atomwolke in Richtung einer suspendierten Kohlenstoffnanoröhre, die sich etwa zwei Zentimeter entfernt befand und auf Hunderte von Volt aufgeladen war. Die Ergebnisse wurden 2010 veröffentlicht und kündigten neue Wechselwirkungen zwischen kalten Atomen und nanoskaligen Systemen an. Sie beobachteten, dass die meisten Atome vorbeikamen, aber ungefähr 10 pro Million wurden unausweichlich angezogen, wodurch sie sich sowohl in der Bewegung als auch in der Temperatur dramatisch beschleunigten. „An diesem Punkt trennen sich die beschleunigten Atome in ein Elektron und ein Ion, die sich parallel um den Nanodraht drehen und jede Umlaufbahn in nur wenigen Billionstel Sekunden abschließen. Das Elektron wird schließlich durch Quantentunneln in die Nanoröhre gesaugt, wodurch sein Begleition mit einer Geschwindigkeit von etwa 26 Kilometern pro Sekunde oder 59.000 Meilen pro Stunde wegschießt – abgestoßen von der starken Ladung der 300-Volt–Nanoröhre.“ Atome können sich schnell auflösen, ohne in diesem Experiment miteinander kollidieren zu müssen. Das Team stellt schnell fest, dass dieser Effekt nicht durch die Schwerkraft erzeugt wird, wie in Schwarzlöchern im Weltraum berechnet, sondern durch die hohe elektrische Ladung in der Nanoröhre. Das Experiment kombiniert Nanotechnologie mit kalten Atomen, um eine neue Art von hochauflösendem, Einzelatom-, Chip-integriertem Detektor zu demonstrieren, der letztendlich in der Lage sein könnte, Fransen von der Interferenz von Materiewellen zu lösen. Die Wissenschaftler sehen auch eine Reihe von einatomigen, grundlegenden Studien vor, die durch ihren Aufbau ermöglicht werden.
Quelle: Wikipedia