Geschickt gedämpft

Ihre Berechnungen zeigen, wie sich die Bewegung winziger Partikel durch Licht dämpfen lässt, bis die alltäglichen Gesetze der Physik nicht mehr gelten. Diese Ergebnisse der Grundlagen­forschung von Wissenschaftlern der Universität Duisburg-Essen (UDE) könnten helfen, genauere Drehmoment-Sensoren zu entwickeln.

Kreisel finden sich nicht nur in Kinderzimmern. Auch als Bewegungs­sensoren in Fahrzeugen oder als Stabilisatoren in Schiffen werden deren Dreh­bewegungen eingesetzt. Die meisten Anwendungen beruhen auf der Art und Weise, wie sich starre Objekte drehen und auf externe Kräfte und Drehmomente reagieren: Da gibt es die Gyroskop-Stabilisierung, die eine rollende Münze aufrecht hält oder den Tennis­schlägereffekt, der das ausufernde Torkeln eines solchen hoch­geschleuderten Sportgeräts beschreibt.

In aktuellen Arbeiten haben nun Forscher um Benjamin Stickler ein Experiment vorgeschlagen, um die Bewegung nanometer­großer Kreisel so weit zu dämpfen, dass sie den Gesetzen der Quanten­physik folgt: „Hiervon erwarten wir uns weitere überraschende Phänomene, die so nur in diesem Zustand vorkommen können“, so der Physiker.

Im vorgeschlagenen Experiment wird der Kreisel – ein nur nanometergroßes Silizium­teilchen – in einer optischen Pinzette in der Schwebe gehalten. In dieser aus Laserlicht geformten Falle, deren Erfindung 2018 mit dem Physik-Nobelpreis geehrt wurde, kann ein Teilchen noch eingeschränkt hin- und herschwingen und sich drehen. Um Quanten­effekte zu beobachten und zu nutzen, muss diese verbliebene Bewegung allerdings gedämpft werden: Das ist möglich, indem das Teilchen zwischen zwei Spiegeln platziert wird, die das von ihm gestreute Laserlicht reflektieren und wieder auf das Teilchen zurückwerfen. Das Team konnte nun zeigen, dass es möglich ist, sowohl die Schwingungs- als auch die Dreh­bewegung des Teilchens bis in den gewünschten Zustand zu dämpfen, wenn das Laserfeld der optischen Pinzette in Form einer Ellipse schwingt.

Dies stellt nicht nur einen bedeutenden Schritt zur grundlegenden Erforschung und Anwendung von Quanten-Kreiseln dar: Die Methode ermöglicht es künftig auch, Effekte zu beobachten, die die Genauigkeit heutiger Drehmoment-Sensoren deutlich erhöhen können.

UDE / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  J. Schäfer et al.: Cooling nanorotors by elliptic coherent scattering, Phys. Rev. Lett. 126, 163603 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.163603
  H. Rudolph et al.: Theory of nanoparticle cooling by elliptic coherent scattering, Phys. Rev. A 103, 043514 (2021); DOI: 10.1103/PhysRevA.103.043514
• Theoretische Quantenphysik (K. Hornberger), Universität Duisburg-Essen