Bill Pedrini und Simon Gerber am PSI abbildern Quantenzustände bei 35 Millikelvin am SwissFEL Cristallina; weltweit tiefste bei Röntgenstreuung gemessene Quantenzustände

Bill Pedrini und Simon Gerber am PSI abbildern Quantenzustände bei 35 Millikelvin am SwissFEL Cristallina; weltweit tiefste bei Röntgenstreuung gemessene Quantenzustände

Einblicke in die kalte Quantenwelt | News & Events | PSI

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Prof. Dr. Damien Charles Weber

Einblicke in die kalte Quantenwelt

Am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL können Forschende nun seltsame Quantenzustände abbilden, die nur bei extrem niedrigen Temperaturen auftreten. In diesem Interview gewähren Bill Pedrini und Simon Gerber vom Zentrum für Photonenforschung am Paul Scherrer Institut PSI zwei sich ergänzende Einblicke: Zum einen, wie eine weltweit einzigartige Experimentierstation entsteht, und zum anderen, wie diese einen Blick in eine selten gesehene Quantenwelt eröffnet.

Wie kalt kann es bei Ihnen werden?

Simon Gerber: Vor Kurzem haben wir Messungen bei 35 Millikelvin vorgenommen – nur 35 tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das ist die tiefste Temperatur, die mit unserem Versuchsaufbau aktuell erreichbar ist, und unseres Wissens die niedrigste, bei der jemals mit Röntgenstreuung gemessen wurde.

Warum muss es so kalt sein?

Simon Gerber: Viele Quantenzustände treten nur bei sehr niedrigen Temperaturen auf. Unser Ziel ist es daher diese Quantenzustände und ihre Dynamik mithilfe des SwissFEL so nah wie möglich am absoluten Nullpunkt abzubilden. So hat das bisher noch niemand gemacht.

Können Sie uns eine Vorstellung davon geben, wie Sie das erreichen?

Simon Gerber: Inspiriert wurden wir von Röntgenexperimenten in der Strukturbiologie – dort gibt es ein Prinzip, das als «Diffraction before Destruction» – übertragen also: «Messung vor Zerstörung» – bezeichnet wird. Wenn wir Experimente mit Röntgenstrahlen durchführen, erwärmt sich die Probe und sie wird Strahlenschäden davontragen. Mit einem Freie-Elektronen-Röntgenlaser (FEL) erfolgen Messungen jedoch unglaublich schnell – die Lichtblitze sind extrem intensiv, dauern aber nur einige zehn Femtosekunden oder noch kürzer. So können wir also eine Momentaufnahme machen, bevor es zur «Zerstörung» kommt. Wir dachten uns: Wenn das in der Biologie so gut funktioniert, warum sollte sich das Konzept nicht auch auf Quantenzustände übertragen lassen?

Bill Pedrini: Ein FEL funktioniert wie eine superschnelle Kamera für die Welt der Atome. Die Idee ist folgende: Die Blende des SwissFEL ist geschlossen und die Probe ist so kalt wie nur möglich. Dann, «schwupp!», gibt es einen intensiven Lichtblitz und wir machen einen Schnappschuss vom Quantenzustand, bevor die Röntgenstrahlen ihn durch Erwärmung zum Verschwinden bringen .

Bill Pedrini ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentrum für Photonenforschung des PSI und verantwortlich für die Experimentierstation Cristallina. Er war an der frühen Planungsphase des SwissFEL beteiligt und entwickelt seit 2019 Cristallina.

Könnte man also durch die Aufzeichnung mehrerer Schnappschüsse einen «Film» von so einem Quantenzustand in Aktion erstellen?

Simon Gerber: Nicht ganz, denn sobald die Messung mit einem dieser extrem intensiven Röntgenblitze erfolgt ist, wird der Quantenzustand zerstört. Um die Dynamik zu untersuchen, können wir die Quantenzustände aber mit elektrischen oder optischen Impulsen kohärent anregen und anschliessend beobachten, wie sie sich weiterentwickeln. So steuern wir also den Zustand des Quantensystems und lesen ihn anschliessend mit dem FEL aus – etwa wenn Zustände geschaltet werden oder Quanteninformationsverarbeitung durchgeführt wird. Dies ist eines unserer übergeordneten Ziele.

Die Experimente finden am SwissFEL an der Experimentierstation Cristallina statt. Der Versuchsaufbau soll dort ziemlich einzigartig sein.

Simon Gerber: In der Tat. Der Kryostat, mit dem wir Proben auf so niedrige Temperaturen abkühlen, während wir sie mit dem FEL untersuchen, ist einzigartig. Bereits 2016, in der Anfangszeit des SwissFEL, begannen wir über solche Experimente nachzudenken. Es hat uns einige Mühe und Zeit gekostet, herauszufinden, wie wir sie tatsächlich umsetzen könnten. Letztendlich ist alles eine Frage der Teamarbeit und nur möglich, wenn viele Experten mit unterschiedlichen Fachkenntnissen zusammen auf dasselbe Ziel hinarbeiten.

Bill Pedrini: Der schwierige Teil war, den Kryostaten zu konstruieren, inklusive mehrerer Fenster für die einfallenden Röntgenstrahlen. Der andere Teil – der Bau der Strahllinie und der experimentellen Infrastruktur – war zwar kompliziert, doch wir konnten auf bewährte Technologien und das hier am PSI gebündelte Fachwissen zurückgreifen und enorm davon profitieren.

Bitte erzählen Sie uns mehr über Ihre erste Messung.

Simon Gerber: Wir haben ein Material untersucht, das eine ungewöhnliche Art von Magnetismus aufweist – einen Quantenantiferromagneten. Das Material war bereits einige Jahre zuvor an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ des PSI untersucht worden. Es war daher ideal für ein Proof-of-Concept-Experiment geeignet, das auf den Erkenntnissen der Neutronenstreuung aufbaute.

Bill Pedrini: Der antiferromagnetische Zustand tritt bei diesem Material erst unterhalb von einigen Hundert Millikelvin auf. Das ist sehr kalt. Da die Basistemperatur unseres Kryostaten bei 35 Millikelvin liegt, hatten wir nicht viel Spielraum.

Simon Gerber: Wenn man etwas Neues baut, führt man zunächst eine Referenzmessung durch. Diese war anspruchsvoll, aber realistisch. Jetzt wissen wir, dass wir diesen extrem niedrigen Temperaturbereich mit dem SwissFEL erreichen können. Wir erleben gerade eine sehr aufregende Zeit.

Simon Gerber leitet die Forschungsgruppe Quanten-Photonenforschung am Zentrum für Photonenforschung des PSI und ist für das Teilprojekt Cristallina Quantum verantwortlich. Seine Forschungsschwerpunkte liegen in der Nutzung von Grossforschungsanlangen wie dem SwissFEL zur Erforschung und Kontrolle von Quantensystemen .

Abgesehen von der Neugier – warum ist es für uns wichtig, Zugang zu diesem Temperaturbereich zu haben?

Bill Pedrini: Diese Quanteneigenschaften bieten Anwendungen für zukünftige Technologien. Daher ist die Experimentierstation so ausgelegt, dass wir im Prinzip auch Komponenten von Quanten-Computern und Quanten-Sensoren messen könnten.

Wie geht es nach dem Erfolg der ersten Versuche nun weiter?

Bill Pedrini: Die ersten externen Nutzer haben uns bereits besucht und wir sind gespannt, welche Experimente künftige Gruppen vorschlagen werden. Es geht immer um Quantenzustände, die bei sehr niedrigen Temperaturen auftreten und sich mit anderen Methoden nicht messen lassen. Das kann daran liegen, dass sie sehr empfindlich sind und leicht verschwinden, wenn man versucht, sie zu messen. Oder es existieren nur sehr kleine Kristalle des Quantenmaterials, oder man interessiert sich, wie vorhin erläutert, für die Dynamik der Quantenzustände.

Was motiviert Sie persönlich dazu, solche Experimente durchzuführen?

Simon Gerber: Diese Quantenzustände sind sehr schwer fassbar. Ich finde es phänomenal, dass wir hier eine Kamera haben, die bei einer Rekordkälte von 35 Millikelvin Aufnahmen macht. Der Quantenzustand ist da und – zack – machen wir ein Schnappschuss davon. Wir sehen ihn in unserem Raum und unserer Zeit, auf unseren Detektoren. Das ist unglaublich.

Bill Pedrini: Wir befinden uns hier im Grenzbereich der Technik. Die meisten Geräte, die wir bei Cristallina und am SwissFEL verwenden, werden nicht serienmässig produziert. Aber wir benötigen sie, also entwickeln wir sie. Die Herausforderung, auf neue Lösungen zu kommen und Techniken sowie Geräte weiterzuentwickeln – das ist es, was mich motiviert.

Simon Gerber: Und das treibt die Entwicklung von Technologien voran, die weit über die Quantenphysik hinaus von Nutzen sind …

Könnten Sie das etwas näher erläutern?

Simon Gerber: Wir beschäftigen uns mit Grundlagenforschung der Physik, müssen aber technische Lösungen entwickeln, um unsere Ziele zu erreichen. Nehmen wir als Beispiel die Mikrowellen, mit denen wir Quantenzustände kontrollieren. Das hängt mit Synchronisation zusammen, und wir mussten dafür neue Verfahren entwickeln. Solche Synchronisationssignale können vielfältige Anwendungsmöglichkeiten haben, nicht nur am SwissFEL.

Unsere ambitionierten Experimente sind ein Katalysator für die technologische Entwicklung. Wenn wir nicht bis an die Grenze gehen, werden solche Technologien niemals entwickelt.

Welche Auswirkungen hat das auf die ansässige Industrie?

Simon Gerber: Der leichte, steife Carbonträger für den Kryostaten ist so ein Beispiel. Er wurde zusammen mit einem lokalen Maschinenbauunternehmen entwickelt. Um unsere Anforderungen zu erfüllen, musste das Unternehmen herausfinden, wie man Kohlefasern und Aluminium äusserst präzise verklebt. Dieses Know-how kann nun auch auf andere Bereiche angewendet werden, in denen hohe Präzision sowie robuste und leichte Konstruktionen erforderlich sind.

Bill Pedrini: Oder schauen Sie sich unseren Fussboden an. Die Experimentierstation Cristallina ist flexibel konzipiert: Neben Quantenexperimenten wird sie auch zur Untersuchung von Proteinen verwendet. Um diese Flexibilität zu erreichen, müssen mehrere Tonnen schwere Instrumente präzise und erschütterungsfrei hin und her bewegt werden. Unsere Lösung dafür ist ein ultraflacher, extrem glatter Granitboden, auf dem die Instrumente auf Luftkissen schweben. Die Präzision, die der ansässigen Industrie dafür abverlangt wurde, ist in vielen anderen Bereichen von Nutzen – innerhalb und ausserhalb der Schweiz.

Text: Paul Scherrer Institut PSI

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Dr. Simon Gerber PSI Center for Photon Science Paul Scherrer Institut PSI

simon.gerber@psi.ch +41 56 310 39 65 [Deutsch, Englisch]

Dr. Bill Pedrini PSI Center for Photon Science Paul Scherrer Institut PSI

bill.pedrini@psi.ch +41 56 310 33 71 [Deutsch, Englisch, Italienisch]

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