Bisher wurden Quantenphänomene nur an Lichtteilchen, Atomen oder Molekülen beobachtet. Doch weltweit arbeiten Physiker daran, solche Effekte auch an makroskopischen Systemen nachweisen zu können. Das ist aber nur bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius möglich.
Seit Jahren werden Laser erfolgreich zum Abkühlen von wenigen Atomen oder kleinen Atomwolken verwendet. Dabei wird der Bewegung der Atome durch Lichtdruck entgegengewirkt, so dass diese immer langsamer - und damit kälter - werden, bis nahezu der absolute Nullpunkt erreicht ist. Dieses Prinzip haben die Wissenschafter nun so adaptiert, dass es auch für größere Objekte - in den konkreten Fällen winzige Spiegel - anwendbar ist. Die neuen Methoden zur Kühlung mit Hilfe von Laserlicht, die in "Nature" vorgestellt werden, stellen einen weiteren Schritt zur Beobachtung von Quanteneffekten an sichtbaren Objekten dar.
"Quantenatur" bei tiefen Temperaturen
Schwingende mechanische Systeme, wie beispielsweise eine Gitarrensaite oder ein Sprungbrett, verhalten sich im Alltag nach den Regeln der klassischen Physik. Man erwartet allerdings, dass bei extrem tiefen Temperaturen ihre Quantennatur zum Vorschein kommt - aus der Mechanik, der Bewegung klassischer Körper, wird Quanten-Mechanik.
Die dazu notwendigen Temperaturen konnten bislang für solche Systeme im Labor noch nicht erreicht werden. Diesem Ziel ist man nun einen Schritt näher gekommen. Einem internationalen Team rund um Anton Zeilinger und Markus Aspelmeyer sowie Dieter Bäuerle (Universität Linz) und Keith Schwab (Cornell University, New York) gelang die Demonstration einer neuen Kühlmethode, mit deren Hilfe sich mikromechanische Systeme unter Einwirkung von Laserlicht "selbständig" kühlen - derzeit von Raumtemperatur bis auf 10 Kelvin (rund –60 °C). Eine Weiterentwicklung dieser Methode sollte in Zukunft Experimente erlauben, die zeigen werden, ob und wie Quantenphänomene auch makroskopische Objekte dominieren können.
Spiegel als Basis
Für das Experiment stellten die Forscher zunächst mikroskopisch kleine Spiegel her, mit einer Länge von knapp 500 Mikrometern (ein halber Millimeter), einer Breite von 100 Mikrometern und einer Dicke von 3 Mikrometern. Unter dem Mikroskop sind diese Spiegel gut sichtbar. Diese wurden so befestigt, dass sie - ähnlich einer Gitarrensaite - frei schwingen konnten. Aufgrund des geringen Gewichts von nur wenigen hundert Nanogramm (Milliardstel Gramm) genügen bereits die Lichtteilchen (Photonen) eines Laserstrahls, um den mikromechanischen Spiegel zu beeinflussen.
Selbstständige Kühlung
Eine Kühlung des Spiegels erreicht man, wenn die Photonen mit einer bestimmten Verzögerung auf den Spiegel treffen und so seine Bewegung dämpfen. Im Prinzip ist das analog zu einem federnden Sprungbrett im Schwimmbad, das man durch geschicktes Gegenfedern zur Ruhe bringen kann. Im Experiment bildet der Mikrospiegel ein Ende eines optischen Resonators, mit dessen Hilfe einfallendes Laserlicht an den schwingenden Spiegel gekoppelt wird. Die von dem Laser ausgesandten Photonen werden von dem Mikrospiegel reflektiert. Ist der Resonator nicht perfekt auf die Wellenlänge des einfallenden Laserlichts gestimmt, man spricht von einer gezielten "Verstimmung" (Detuning), dann nehmen die reflektierten Photonen einen Teil der Bewegungsenergie des Mikrospiegels auf: der Spiegel wird gekühlt. Da der Resonator den Druck der Photonen automatisch regelt, funktioniert diese Kühlung völlig selbständig.
Makroskopische Systeme im Visier
Dieser auf Lichtdruck basierende Mechanismus ist verwandt mit dem Prinzip der Laserkühlung, das bereits seit Jahren sehr erfolgreich zum Kühlen von wenigen Atomen oder kleinen Atomwolken verwendet wird. Die Wiener Experimentalphysiker konnten dieses Prinzip nun erstmals auf ein massives System anwenden, das aus 10 hoch 16 Atomen besteht und bereits mit dem bloßen Auge sichtbar ist. Die Frage im Hintergrund, die schon Quantenphysiker wie Erwin Schrödinger beschäftigte, ist, ob das Verhalten solcher "alltäglichen" Objekte auch von der Quantenphysik dominiert sein kann.
Die Wissenschaftler erwarten, dass sich durch ihre neue Kühlmethode mit noch hochwertigeren Materialien in naher Zukunft solche Experimente zur Erforschung von Quantenphänomenen an makroskopischen Systemen durchführen lassen.
Parallele Entwicklung in Frankreich
In "Nature" stellten zwei weitere Forscher-Gruppen solche Spiegel-Kühlsysteme vor: Unabhängig von der Wiener Gruppe hat der französische Physiker Pierre-Francois Cohadon von der Université Pierre et Marie Curie in Paris ein völlig gleichartiges System wie jenes der Wiener Forscher entwickelt. Und eine Gruppe der University of California konnte mit ihrer Kühlmethode, bei welcher der Photonenfluss entsprechend der Schwingungen des Spiegels aktiv gesteuert wurde, eine Temperatur von nur 135 Millikelvin erreichen.
Aspelmeyer führt den Erfolg der US-Kollegen vor allem auf die bessere Qualität von deren Spiegel zurück. "Wir haben die zehn Kelvin in unserem ersten Versuch erreicht, mit noch nicht optimierten Spiegeln", sagte der Physiker. Deshalb soll in der nächsten Zeit vor allem an der Verbesserung der mechanischen Güte und der Reflexion der Spiegel gearbeitet werden.
Erwartet werden Quanteneffekte bei makroskopischen Objekten wie den derzeit verwendeten Spiegel laut Aspelmeyer bei einer Temperatur zwischen zehn Mikro- bis zehn Millikelvin. Die Frage, wann man so weit sein werde, kann und will der Physiker nicht beantworten. Eines ist jedenfalls klar: Sollte es den Wissenschaftern gelingen, Quantenphänomene auch an solch sichtbaren Objekten nachzuweisen, wird der gesunde Hausverstand auf eine harte Probe gestellt werden. Schließlich wird man dann beispielsweise nicht mehr exakt Ort und Impuls eines solchen Spiegels angeben können - eigentlich unvorstellbar für ein sichtbares Objekt. (red/APA)
Studie von Zeilingers Team:
Self-cooling of a micromirror by radiation pressure, in: "Nature" Bd. 444, S. 67 (Ausgabe vom 2.11.2006)
Abstract
Die Forschungsergebnisse sind das Resultat einer Zusammenarbeit mit den Gruppen von Dieter Bäuerle an der Universität Linz und Keith Schwab am Laboratoy for Physical Sciences, Maryland und an der Cornell University, New York (USA). Durchgeführt wurde das Experiment am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien. Unterstützt wurden die Forscher dabei vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF), dem Netzwerk MNA der Austrian NANO Initiative, der Stadt Wien und dem Foundational Questions Institute (FQXi).
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