Wissenschaftler haben erstmals Lichtwellen genutzt, um ein mechanisches Schwingungssystem, einen Resonator, von Raumtemperatur bis auf 11 Kelvin, das entspricht -260 Grad Celcius, abzukühlen. Das schon seit geraumer Zeit für die Kühlung von Quantenteilchen – etwa Atomen und Ionen – angewandte Verfahren der Laserkühlung kam damit erstmals auch für mechanische Systeme zum Einsatz.
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In ihrem Experiment konnten Forscher um Tobias Kippenberg am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) eindeutig nachweisen, dass die beobachtete Absenkung der Temperatur allein auf den Druck der Lichtquanten zurückzuführen war. Mit ihrem jetzt in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlichten Verfahren sollte es nun prinzipiell möglich sein, den quantenmechanischen Grundzustand des Resonators zu erreichen, in dem seine Eigenschwingungen bis zu einem fundamentalen Limit reduziert sind. Die neuartige Methode könnte auch die Empfindlichkeit von Rasterkraftmikroskopen verbessern, in denen thermisch angeregte Schwingungen Rauschen verursachen.
Laserlicht bremst Schwingungen
Bei der Laserkühlung von Quantenteilchen werden Atome mit Laserlicht bestrahlt, das etwas weniger Energie hat als zu ihrer Anregung nötig ist. Die Teilchen nehmen daher immer dann Licht auf, wenn sie sich auf den Strahl zu bewegen – dann sind sie aufgrund des Dopplereffekts in Resonanz – und werden dabei in dieser Richtung abgebremst. Wird Laserlicht in einem aus zwei Spiegeln gebildeten Resonator eingefangen, um zum Beispiel ihren Abstand zu bestimmen, dann kann es zu ganz ähnlichen Effekten der Energieübertragung kommen: der Druck der Photonen auf die Spiegel übt eine rückwirkende Kraft aus, die diese wiederum selbst verschiebt.
Das Auftreten einer solchen "dynamischen Rückwirkung", die mechanische und optische Schwingungen verkoppelt, hat bereits in den 1970er Jahren der russische Physiker Vladimir Braginsky vorhergesagt. Versuche, diesen Vorgang gezielt zur Kühlung zu nutzen, schlugen allerdings bis vor kurzem fehl. Voraussetzung dafür ist, dass die durchschnittliche Verweilzeit der Photonen im Resonator mit der mechanischen Schwingungsperiode übereinstimmt. Man benötigt also Systeme mit großer mechanischer Schwingungsfrequenz und hoher optischer und mechanischer Güte.
„Rot-Verstimmung“ entzieht Energie
Für das vorliegende Experiment verwendeten die Forscher einen lithographisch gefertigten, torusförmigen Mikroresonator mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern, der sich wie eine mikroskalige Stimmgabel mit einer mechanischen Resonanzfrequenz von 60 MHz verhält. Mit Hilfe einer lediglich 600 Nanometer dünnen Glasfaser wird Laserlicht in den Resonator eingekoppelt. Dessen Frequenz liegt etwas unterhalb der Eigenfrequenz des Resonators, was man auch als "Rot-Verstimmung" bezeichnet. Dahinter steckt folgende Idee: Die in der Kavität eingesperrten Photonen streben danach, mit dem System in Resonanz zu kommen. Wenn sie bei den vielfachen Reflexionen an die Wände stoßen, nehmen sie daher in den meisten Fällen Energie auf. Diese wird dem Resonator entzogen, wodurch dessen mechanische Schwingungen gekühlt werden.
Experiment erfolgreich
In der Tat ergaben die Messungen, dass sich unter dem Einfluss des Laserlichts die Amplitude der mechanischen Schwingungen verringerte und zwar desto stärker, je höher die Laserleistung war. Um die Messergebnisse korrekt zu interpretieren, entwickelten die Forscher ein analytisches Modell, mit denen sie aus den vorgegebenen experimentellen Parametern den Strahlungsdruck, die Kühlrate, die Verschiebung der mechanischen Resonanzfrequenz und das Dämpfungsverhalten berechnen konnten. Daraus ging einwandfrei hervor, dass thermische Effekte nicht mehr als ein Prozent der Kühlung zu verantworten haben.
Zwar liegt die hier erreichte Temperatur von 11 Kelvin noch weit über der Temperatur des quantenmechanischen Grundzustands, in dem gar keine Phononen mehr angeregt sind. Die Bedeutung des Experimentes liegt aber darin, den Kühleffekt erstmals quantitativ erfasst zu haben. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, die Verfahren so weiter zu entwickeln, dass man die Schwingungen zur Ruhe bringen und ein solches makroskopisches Objekt in den Quantenzustand versetzen kann, der mit herkömmlichen kryogenen Techniken nicht zu erreichen ist.
(Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 20.12.2006 – NPO)
