Ultrakalte Atome an Nano-Membran gekoppelt

  • 22. November 2011

Forschern der Universität Basel ist es gelungen, eine nur 50 Nanometer dicke Membran und ultrakalte Atome aneinander zu koppeln.

Licht kann Kräfte auf Materie ausüben: Zum Beispiel entsteht der Schweif eines Kometen unter anderem dadurch, dass das Sonnenlicht Teilchen aus dem Kometen herausreißt. Hierbei spricht man von Strahlungsdruck. Im Labor wird der Strahlungsdruck von Laserlicht dazu verwendet, um in einer Vakuumkammer Wolken von Atomen auf wenige millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. Bei diesen Temperaturen gehorchen die Atome den Gesetzen der Quantenphysik. Derzeit arbeiten zahlreiche Forschergruppen weltweit daran, diese Laserkühlung auch auf makroskopische Objekte wie mechanische Oszillatoren anzuwenden, um sie ebenfalls im Quantenregime untersuchen zu können.

Einem Forschungsteam um den Physiker Philipp Treutlein von der Universität Basel ist es nun gelungen, einen Membranoszillator mithilfe von Laserlicht an eine Wolke von ultrakalten Atomen zu koppeln. Der Membranoszillator besteht aus einer nur 50 Nanometer dünnen Folie aus Siliziumnitrid, die in einem Siliziumrahmen eingespannt ist und wie ein Trommelfell schwingen kann. Ein von der Membran reflektierter Laserstrahl erzeugt eine stehende Lichtwelle, in der die Atome durch Lichtkräfte gefangen werden. Schwingt die Membran, so bewegt sich die stehende Lichtwelle, in der die Atome gefangen sind. Dadurch koppelt die Membranschwingung an die Bewegung der Atome. Die Bewegung der Atome in der Lichtwelle führt wiederum zu einer Modulation des Strahlungsdrucks auf die Membran. Diese Rückwirkung der Atome auf die Membran konnten die Forscher erstmals beobachten. 

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Abb.: Foto einer Membran aus Siliziumnitrid, wie sie in den Experimenten der Basler Forscher verwendet wurde.
(Bild: Max Riedel/Andreas Jöckel, Universität Basel)

Mit solchen gekoppelten Systemen aus ultrakalten Atomen und nanomechanischen Membranen möchte man in Zukunft die Grenzen der Quantenphysik ausloten und neue Anwendungen in der Quantentechnologie erschließen. Dieses Experiment ist ein erster Schritt in diese Richtung, da die Wissenschaftler erstmals einen mechanischen Oszillator mithilfe von ultrakalten Atomen manipulieren konnten. Die Experimente wurden gemeinsam mit Kollegen von der LMU München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik durchgeführt.

In einer zweiten Arbeit haben die Basler Forscher die mechanischen Eigenschaften der Nanomembran genauer unter die Lupe genommen. Die Membran besitzt eine ungewöhnlich hohe mechanische Güte von über einer Million – das bedeutet, sie kann mehr als eine Million mal hin und her schwingen, bevor sie merklich gedämpft wird. Zum Vergleich: Die Saiten eines Konzertflügels haben eine mechanische Güte von nur einigen Tausend. Eine hohe mechanische Güte ist aber sowohl Voraussetzung für die Verwendung der Membranen in Präzisionsmessungen als auch für die Beobachtung quantenmechanischer Effekte.

Was begrenzt die mechanische Güte der Membranoszillatoren? Zu dieser Frage, die Forscher in aller Welt schon seit einiger Zeit untersuchen, konnten die Basler Physiker nun einen wichtigen Teil der Antwort liefern. Sie konnten zeigen, dass in vielen Fällen die Kopplung der Membranschwingung an den Rahmen, in dem die Membran eingespannt ist, zu einer Begrenzung der mechanischen Güte führt. Was beim Klavier erwünscht ist, da erst durch die Kopplung der Saitenschwingung an das Gehäuse ein voller Klang entsteht, sollte man bei den Experimenten mit den Membranen der Nanophysik also unbedingt vermeiden.

Universität Basel / MP

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