Physiker entziehen einem Mikroobjekt seine Energie bis auf weniger als ein Fünftel Quant Kälter als das Quantenlimit - scinexx | Das Wissensmagazin
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Physiker entziehen einem Mikroobjekt seine Energie bis auf weniger als ein Fünftel Quant

Kälter als das Quantenlimit

Diese 20 Mikrometer kleine Aluminiumtrommel wurde bis unter das bisherige Limit heruntergekühlt. © Teufel/ NIST

Unmögliche Kälte: Forschern ist es gelungen, ein Mikroobjekt über das Quantenlimit hinaus abzukühlen. Sie entzogen dem Objekt alle Energie bis auf nur noch ein Fünftel Quant. Dieser Wert liegt unterhalb der mit Laserkühlung erreichbaren Untergrenze, wie die Physiker im Fachmagazin „Nature“ berichten. Den Durchbruch brachte eine Methode, bei der „gequetschtes“ Licht für die Kühlung eingesetzt wird.

Normalerweise sind Atome eines Gases durch die in ihnen enthaltene Energie immer in Bewegung. Je höher die Temperatur, desto heftiger diese Bewegung. Auch ein Mikroresonator, eine wenige Mikrometer große Membran aus dünnem Material, schwingt selbst bei großer Kälte kaum merklich. Doch Laserlicht kann diese Bewegungen dämpfen und die Atome und Objekte fast bis auf ihren Grundzustand herunterkühlen.

Für die Laserkühlung gibt es jedoch eine Untergrenze. Dieses Quantenlimit besteht, weil die bremsende Wirkung der Photonen leicht fluktuiert. Dadurch bekommt das gekühlte Objekt ab und zu einen winzigen Stoß, der ihm wieder Energie zuführt. Um ein Atom oder einen Mikroresonator auf seinen Grundzustand herunterzukühlen, muss dieser konkurrierende Heizeffekt daher ausgeglichen oder am besten ganz aufgehoben werden.

Mit Photonen ausgetrickst

Bei Atomen ist es durch die sogenannte Seitenbandkühlung bereits gelungen, ihnen so viel Energie zu entziehen, dass weniger als ein Quant übrig bleibt – ein auf den ersten Blick unmöglich scheinender Zustand. Möglich wird dies, weil Atome oder Ionen nur Photonen bestimmter fester Energie aufnehmen oder abgeben können. Wenn diese Atome aber schwingen, treten durch eine Art Doppler-Effekt Verschiebungen auf – sogenannte Seitenbänder.

Bestrahlt man nun die Atome mit Photonen, dessen Wellenlänge einem Seitenband knapp unterhalb einer der Hauptlinien entspricht, nimmt das Atom dieses Photon auf, strahlt aber dafür ein Photon höherer Energie ab – nämlich das seiner Hauptlinie. Im Laufe der Zeit entzieht man dadurch dem Atom immer mehr Energie und kommt dem Grundzustand extrem nah.

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Mikrotrommel im gequetschten Licht

John Teufel und seine Kollegen vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder haben nun die Seitenbandkühlung so verändert, dass sie erstmals auch einen Mikroresonator unter das Quantenlimit kühlen konnten. Dieser Resonator ähnelt einem winzigen Trommelfell: Er besteht aus einem 20 Mikrometer großen Ring, über den eine 100 Nanometer dünne Membran gespannt ist.

Diese Mikrotrommel kühlten die Wissenschaftler zunächst mit Hilfe der normalen Laserkühlung bis auf Werte knapp oberhalb des Quantenlimits ab. Dann begann die Seitenbandkühlung. Das Neue dabei: Die Forscher verwendeten dafür „gequetschtes“ Licht. Bei diesem sind die Fluktuationen von Phase und Amplitude so manipuliert, dass die Amplitude der Welle weniger schwankt als normal, dafür die Phase etwas stärker.

Weniger als ein Quant Energie übrig

Die Folge: Wird nun dieses gequetschte Licht für die Seitenbandkühlung eingesetzt, gibt es weitaus weniger zufällige, aufheizende Fluktuationen der Photonen als normalerweise. Dadurch wird es möglich, den Mikroresonator über das Quantenlimit hinaus herunterzukühlen.

Im Experiment gelang es Teufel und seinen Kollegen so, ihrer Mikrotrommel so viel Energie zu entziehen, dass nur noch 0,2 Phononen – und damit Energiequanten – übrigblieben. Konkret bedeutet dies, dass die Mikrotrommel zwar theoretisch noch mit einer Frequenz von zehn Milliarden Mal pro Sekunde schwang. Die Amplitude dieser Schwingungen lag aber bei fast Null. „Unsere Daten beweisen, dass gequetschtes Licht genutzt werden kann, um ein optomechanisches System bis unter das Quantenlimit abzukühlen“, sagen die Forscher.

Diese Technik macht nicht nur die Erforschung der Quantenzustände von Objekten leichter, sie bringt auch Vorteile für ganz konkrete Anwendungen. „Sensoren werden dadurch sensibler. Informationen können länger gespeichert werden“, erklärt Teufel. „Wenn man solche Mikroresonatoren in einem Quantencomputer verwendet, dann ermöglicht dies eine Datenverarbeitung ohne Verzerrungen.“ Teufels Kollege José Aumentado ergänzt: „Es ist ein sehr elegantes Experiment, das sicher eine große Auswirkung haben wird.“ (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature20604)

(National Institute of Standards and Technology (NIST), 12.01.2017 – NPO)

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