Forschung & Entwicklung

Ein Quantum Festkörper

Mithilfe eines Lasers kann ein Nanoteilchen aus Glas zum Schweben gebracht und erstmals bis in das Quantenregime gekühlt werden. Die Bewegung des Teilchens wird ausschließlich durch die Gesetze der Quantenphysik bestimmt.

Quanteneigenschaften einzelner Atome können durch Laserlicht kontrolliert und manipuliert werden. Selbst große Wolken aus Hunderten von Millionen von Atomen können in das Quantenregime gebracht werden. Dadurch entstehen makroskopische Quantenzustände der Materie wie Quantengase oder Bose-Einstein-Kondensate, die heutzutage auch in neuartigen Quantentechnologien zum Einsatz kommen. Ein nächster Schritt ist es nun diese Techniken zur Quantenkontrolle auch auf Festkörper zu erweitern. Im Gegensatz zu Atomwolken hat ein Festkörper eine milliardenfach höhere Dichte und alle Atome bewegen sich zwangsläufig gemeinsam entlang eines gemeinsamen Massenschwerpunktes. Dies sollte neue makroskopische Quantenzustände mit großen Massen ermöglichen.

Ein erster Schritt um die nötige Quantenkontrolle zu erreichen besteht darin, das zu untersuchende Objekt von den Einflüssen der Umgebung zu isolieren und seiner Bewegung sämtliche thermische Energie zu entziehen. Erst nach dem Abkühlen auf Temperaturen sehr nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) dominiert die Quantenmechanik die Bewegung des Teilchens. Um dies zu zeigen, wählte ein Wissenschaftlerteam der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Experiment mit einer Glaskugel, die etwa tausendmal kleiner als ein typisches Sandkorn ist und einige hundert Millionen Atome enthält. Die Isolation von der Umgebung wird durch optisches Halten des Teilchens in einem stark fokussierten Laserstrahl im Hochvakuum erreicht. „Die eigentliche Herausforderung besteht für uns darin, die Teilchenbewegung in ihren Quantengrundzustand zu kühlen. Die Laserkühlung über atomare Übergänge ist gut etabliert und bietet sich für Atome auch an, aber sie funktioniert nicht für Festkörper“, sagt Uros Delic von der Universität Wien.

Aus diesem Grund nutzt das Team eine Methode zur Kühlung mit Laserlicht, die vom österreichischen Physiker Helmut Ritsch an der Universität Innsbruck, vom Studien-Koautor Vladan Vuletic und dem Nobelpreisträger Steven Chu vorgeschlagen wurde. Sie hatten vor kurzem das Prinzip der ‚Hohlraumkühlung durch kohärente Streuung‘ demonstriert, dabei jedoch noch weit weg vom Quantenregime operiert.

„Wir haben unser Experiment aufgerüstet und sind nun in der Lage, nicht nur mehr Hintergrundgas zu entfernen, sondern auch mehr Photonen zur Kühlung hineinzuschicken“, sagt Delic. Auf diese Weise kann die Bewegung der Glasperle direkt in das Quantenregime gekühlt werden. Es ist eine erstaunliche Situation: Die Oberfläche der Glaskugel ist extrem heiß, etwa 300 °C, weil der Laser das Material erwärmt. Aber die Bewegung des Massenmittelpunkts des Teilchens ist ultrakalt, etwa 0,00001 °C vom absoluten Nullpunkt entfernt, und die Forscher konnten zeigen, dass sich das heiße Teilchen wie ein Quantenteilchen verhält.

Bisher bestanden die meisten experimentellen Systeme zur Quantenbewegung von Festkörpern aus nano- und mikromechanischen Resonatoren, im Wesentlichen Trommeln oder Sprungbretter, die an einer Trägerstruktur fixiert sind. „Optische Levitation erlaubt viel mehr Freiheit: Durch die Manipulation der optischen Falle – oder sogar das Ausschalten – können wir die Bewegung der Nanoteilchen auf völlig neue Weise kontrollieren“, sagt Nikolai Kiesel von der Universität Wien. In Kombination mit dem neu erreichten Quantenregime erwarten die Wissenschaftler zum Beispiel Perspektiven für eine neue hochsensitive Messgeräte, die das Erforschen grundlegender Prozesse von Wärmekraftmaschinen im Quantenregime sowie die Untersuchung von Quantenphänomenen mit großen Massen eröffnen.  

von mn

Originalveröffentlichung:

[U. Delić, M. Reisenbauer, K. Dare, D. Grass, V. Vuletić, N. Kiesel, M. Aspelmeyer, Cooling of a Levitated Nanoparticle to the Motional Quantum Ground State, Science (2020), DOI: 10.1126/science.aba3993]

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