Suprafluide Optomechanik

  • 04. October 2016

Quantenmechanisches Zusammenspiel von Licht und Supraflüssigkeit genutzt.

Ein neuartiges opto­mechanisches System koppelt die mecha­nischen Schwingungen in suprafluidem Helium mit den elektro­magnetischen Schwingungen eines Lasers. Das eröffnet weitgehende Einblicke in die Supra­flüssigkeit und neue Kontroll­möglichkeiten auf der Quanten­ebene.

Abb.: Zwischen den konkaven Enden zweier Glasfasern befindet sich der heliumgefüllte Hohlraum, in dem akustische und optische Schwingungen miteinander gekoppelt werden. (Bild: A. D. Kashkanova et al. / NPG)

Abb.: Zwischen den konkaven Enden zweier Glasfasern befindet sich der heliumgefüllte Hohlraum, in dem akustische und optische Schwingungen miteinander gekoppelt werden. (Bild: A. D. Kashkanova et al. / NPG) 

Jack Harris von der Yale University und seine Mitarbeiter haben einen opto­mechanischen Hohlraum­resonator hergestellt, der sich von bisherigen opto­mechanischen Systemen unterscheidet. Diese koppeln die mecha­nischen Schwingungen von festen Objekten oder von ultra­kalten Atomwolken mit elektro­magnetischen Schwingungen. Dabei beeinflussen die aufpral­lenden Photonen die Schwingungen des mecha­nischen Oszil­lators, während diese die optische Resonanz­frequenz des Hohlraums verstimmen.

Auf diese Weise lassen sich zum Beispiel mikrometer­große schwingende Spiegel mit Laserlicht optisch auf extrem tiefe Temperaturen kühlen, bei denen der mechanische Oszil­lator fast im Grund­zustand ist und nur noch wenige Schwingungs­quanten enthält. Zudem kann man diese „makro­skopischen“ Objekte auch in andere nicht­klassische Zustände bringen, sodass sie sich an zwei Orten gleichzeitig aufhalten oder mit dem Licht quanten­mechanisch verschränkt sind.

Der neue opto­mechanische Hohlraum­resonator für Licht im nahen Infraroten (NIR) nutzt hingegen suprafluides Helium-4 als mechanisch schwingendes Medium. Das bietet einige Vorteile. So füllt die Supra­flüssigkeit den Hohlraum­resonator gänzlich aus, sodass sich die mechanischen und die NIR-Schwingungs­moden perfekt überlagern können. Zudem wird Helium-4 auch bei extrem tiefen Tempe­raturen nicht fest. Es hat verschwin­dende Viskosität, dämpft elektro­magnetische Wellen nur geringfügig und leitet die Wärme hervorragend.

Der optische Hohlraum, der zwischen den einander zugewandten konkaven Enden zweier optischer Glasfasern lag, war weniger als 100 µm lang. Die Faser­enden waren optische Bragg-Reflektoren, die aus ab­wechselnden Schichten von Silizium- und Tantal­oxid bestanden. Eine Glashülse umschloss die Faser­enden und den Hohlraum eng. Sie befand sich in einer Messing­zelle, die mit supra­fluidem Helium-4 gefüllt wurde, das daraufhin auch den Hohlraum zwischen den Faser­enden ausfüllte.

Abb.: Wie im Lehrbuch: Die optisch gemessene Zahl der Phononen im Helium wächst linear mit der Temperatur. (A. D. Kashkanova et al. / NPG)

Abb.: Wie im Lehrbuch: Die optisch gemessene Zahl der Phononen im Helium wächst linear mit der Temperatur. (A. D. Kashkanova et al. / NPG)

In diesem Hohlraum wurden die optischen Moden durch die konkaven, stark reflek­tierenden Faser­enden eingeschlossen, während die akustischen Schwingungs­moden, die auf Dichteschwankungen im Helium beruhten, nur schlecht in die Glas­fasern eindringen konnten. Die akus­tische Wellenl­änge war halb so groß wie die Länge des Hohlraums und fünfzigmal so groß wie die IR-Wellen­länge.

Die Kopplung zwischen den mechanischen und den elektro­magnetischen Wellen erfolgte über stimu­lierte Brillouin-Streuung: Das durch die Glasfasern in den Hohlraum geleitete Laser­licht übte durch Elektro­striktion mechanische Kräfte auf das Helium aus, die zu Dichte­modulationen führten, an denen das Licht wiederum gestreut wurde. Das Licht konnte also die mecha­nischen Schwingungen des Heliums verstärken, während die daraus resul­tierenden Dichte­schwankungen die optische Länge des Hohlraums veränderten und somit den optischen Resonator ver­stimmten.

Mit ihrem supra­fluiden opto­mechanischen System haben die Forscher erste Tests durchgeführt. So konnten sie anhand der Stärke der gemessenen Licht­streuung im Helium ermitteln, dass die Zahl der Schwingungs­quanten oder Phononen in der Supra­flüssigkeit linear mit der Temperatur zunahm. Bei 200 mK waren nur noch elf Phononen vorhanden. Die mecha­nischen Schwingungen waren umso weniger gedämpft je tiefer die Temperatur und je schwächer das anregende Laser­licht war. Es wurde eine Güte von maximal 60.000 erreicht.

Noch gelingt es mit der suprafluiden Opto­mechanik nicht, die mechanischen Schwingungen mit Hilfe von Licht in den Grund­zustand zu kühlen oder sie in gequetschte oder verschränkte Quanten­zustände zu bringen. Dazu müsste die Übertragung der Quanten­zustände des Lichts auf die mecha­nischen Schwingungen des Heliums abge­schlossen sein, bevor Dekohärenz einsetzt. Um das zu erreichen, muss die Erwärmung der Faser­enden durch das Licht und deren Durch­lässigkeit für die akus­tischen Schwingungen deutlich verringert werden. Die Forscher sind optimistisch, dass ihnen dies bald gelingen wird.

Rainer Scharf

JOL

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