Laserkühlung bis in den Grundzustand

  • 06. October 2011

Optomechanische Module auf dem Weg zu neuen Sensoren, hochempfindlichen Waagen und Quantenschaltkreisen.

Über den Strahlungsdruck von Lichtteilchen lassen sich winzige Objekte wie mit optischen Pinzetten bewegen. Nun gingen österreichische und amerikanische Physiker mit der Wechselwirkung zwischen Licht und Mechanik noch einen Schritt weiter. Sie schafften es, die Schwingungen eine wenige Millionstel Meter langen Siliziumstreifens mit Laserlicht auf den quantenmechanischen Grundzustand abzubremsen. Auf der Grundlage dieser Versuche ließen sich hoch empfindliche Sensoren oder gar optomechanische Schaltkreise für Quantencomputer entwickeln.

Dieser optomechanische Resonator besteht aus einem durchlöcherten Siliziumstreifen, der sich mit Laserlicht auf den quantenmechanischen Grundzustand abkühlen lässt

Abb.: Dieser optomechanische Resonator besteht aus einem durchlöcherten Siliziumstreifen, der sich mit Laserlicht auf den quantenmechanischen Grundzustand abkühlen lässt. (Bild: Chan et al., Nature)

Für ihre Experimente fertigten Oskar Painter vom California Institute of Technology in Pasadena und seine Kollegen von der Universität Wien winzige, durchlöcherte Siliziumstreifen, die an zwei Ende gelagert in Schwingung versetzt werden können. Mit konventionellen Methoden auf 20 Kelvin tiefgekühlt, reduzierten sie die Schwingungsenergie des Resonators so weit, dass das System nur noch 100 Phononen aufwies. Mit der ausgeklügelten Laserkühlung ließ sich diese Anzahl der Schwingungsquanten auf Werte von durchschnittlich weniger als einem Phonon weiter reduzieren.

Für diesen Kühlungsprozess schickten Painter und Kollegen aus einem durchstimmbaren Laser Lichtteilchen auf den Siliziumstreifen. Wegen der symmetrisch angeordneten Löchern in dem Modul entspricht der Streifen einem photonischen Kristall, der die Lichtteilchen in optischen Kavitäten einfangen könnte. Doch die Energie der Photonen reichte in dem Experiment knapp nicht aus, um eingefangen zu werden. Um dennoch in die Kavitäten zu gelangen, entzogen sie dem Resonatorsystem Energie aus den Schwingungen. Die Folge: Die Anzahl der Phononen verringerte sich auf durchschnittlich 0,85 und der Resonator ging in seinen energetischen Grundzustand über.

Diese Versuche schlagen nicht nur eine Brücke zwischen makroskopischen Objekten und der Quantenmechanik. Mit Licht kontrollierbare mechanische Resonatoren könnten auch zu hochsensible Sensoren führen. Auch Florian Marquardt, Physiker an der Universität Erlangen, sieht in der pfiffigen Kopplung von mechanischen Schwingungen und Laserlicht viel Potenzial. „Licht könnte dazu genutzt werden, um eine Verschränkung zwischen mechanischen, räumlich getrennten Objekten zu erreichen", sagt Marquardt. Damit empfehlen sich solche optomechanischen Systeme für die Entwicklung von sogenannten Qubits, den kleinsten Recheneinheiten zukünftiger Quantencomputer. Laut Marquardt könne es möglich sein, eine Schnittstelle zwischen Festkörper-Qubits und Lichtteilchen zu entwickeln, die dringend für Anwendungen der Datenverarbeitung mit Quantensystemen nötig wäre.

Jan Oliver Löfken

OD

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