Neue technologische Anwendungen 07.10.2013, 13:44 Uhr

Basler Forscher: Präziseste Messtechnik fast ohne Rauschen

Ausgerechnet mit einem Quanteneffekt haben Baseler Wissenschaftler ein anderes Problem in der Quantenwelt behoben: Mit einem verbesserten Messverfahren haben sie das „Rauschen“, das Messergebnisse verfälscht, deutlich reduziert. Das ist beispielsweise wichtig, wenn man die elektromagnetischen Felder an der Oberfläche eines Mikrochips messen will.

Intel-Wafer: Baseler Forscher haben ein verbessertes und noch genaueres Verfahren entwickelt, um elektromagnetische Felder in der Nähe eines Mikrochips zu messen. Solche hochauflösenden elektromagnetischen Feldmessungen könnten zum Beispiel für das Testen von integrierten Schaltkreisen für die Kommunkationstechnologie von Interesse sein, wie man sie in Mobiltelefonen und Computern findet.

Intel-Wafer: Baseler Forscher haben ein verbessertes und noch genaueres Verfahren entwickelt, um elektromagnetische Felder in der Nähe eines Mikrochips zu messen. Solche hochauflösenden elektromagnetischen Feldmessungen könnten zum Beispiel für das Testen von integrierten Schaltkreisen für die Kommunkationstechnologie von Interesse sein, wie man sie in Mobiltelefonen und Computern findet.

Foto: Intel

Die erlebbare Welt, also die, die man direkt oder indirekt sehen, fühlen, hören kann, hat Gesetze, die jedermann nachvollziehen kann. Ein Gegenstand, den man loslässt, fällt zu Boden, aus einem Wasserhahn, den man aufdreht, kommt ein bisschen heraus und es wir mehr, wenn man weiter dreht. In der Welt der Atome und Atombauteilchen ist alles anders. Energetische Niveaus beispielsweise verändern sich nicht kontinuierlich, sondern in Stufen. Das beschreibt die Quantenphysik, die für normale Menschen kaum nachvollziehbar ist.

In der Quantenphysik ist Vieles dem Zufall überlassen, manche physikalischen Eigenschaften etwa. Aus diesem Grund lassen sich Messgrößen in der Welt des Kleinsten nicht mehr exakt erfassen. Zwar sind die Unterschiede, die zwischen zwei Messungen bestehen, so klein, dass sie vernachlässigbar erscheinen. Doch um bestimmte Phänomene zu verstehen, Supraleitung etwa, wäre höhere Präzision wünschenswert.

Eine Wolke von verschränkten Atomen (blau) ermöglicht hochauflösende Messungen elektromagnetischer Felder in der Nähe eines Mikrochips.

Eine Wolke von verschränkten Atomen (blau) ermöglicht hochauflösende Messungen elektromagnetischer Felder in der Nähe eines Mikrochips.

Foto: Caspar Ockeloen/Philipp Treutlein, Universität Basel

Die verschaffen sich Wissenschaftler, indem sie die gleiche Messung häufig wiederholen. Der Mittelwert, den sie daraus bilden, kommt dem realen Wert schon nahe. Genau trifft er ihn nicht. Es bleibt ein gewisses Quantenrauschen, vergleichbar dem, was man in einem Kurz- oder Mittelwellenprogramm im Hintergrund hört, wenn die Sendeleistung relativ gering ist.

Sogenannte Atominterferometer gehören zu den präzisesten Messgeräten, die es gibt. Ohne das unvermeidlich scheinende Quantenrauschen könnten sie es noch besser. Physikern der Universität Basel um Professor Philipp Treutlein haben es geschafft, das Rauschen um das 1,6-fache zu verringern. Das gelang ihnen ausgerechnet mit einem weiteren Quanteneffekt, der Verschränkung von Atomen. Im Normalfall agieren sie völlig unabhängig voneinander. Werden sie verschränkt, sodass zwischen ihnen eine Kraftverbindung entsteht, marschieren sie gewissermaßen Arm in Arm, was sich in den Messergebnissen positiv bemerkbar macht.

Einem Phänomen der Physik auf der Spur

Verschränkt werden die Atome, indem sie gezwungen werden, miteinander zu kollidieren. Anschließend wurden sie mit Mikrowellen traktiert. Derart vorbereitet setzten die Forscher in Basel sie für ihre Messungen ein. Premiere hatte die neue Technik bei der Vermessung eines elektromagnetischen Feldes an der Oberfläche eines Mikrochips. Die Präzision lag um mehrere Größenordnungen über der bisheriger Messmethoden.

Neben technologischen Anwendungen erhoffen sich die Wissenschaftler von ihren Experimenten auch ein besseres Verständnis des Phänomens der Verschränkung. „Verschränkung ist eines der faszinierendsten Phänomene der Physik – Albert Einstein hat sie einmal als spukhafte Fernwirkung bezeichnet“, sagt Roman Schmied, der zur Arbeitsgruppe Treutlein gehört. „Über ein halbes Jahrhundert später gibt es immer noch viele offene Fragen, wie man Verschränkung quantifiziert und nachweist.“

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