Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lichte Momente mit Kühleffekt - Quantensprünge im mechanischen System gesucht

06.03.2008
Licht wird nicht nur von Materie absorbiert oder gestreut, sondern übt auch mechanische Kräfte aus. So kann der Strahlungsdruck des Lichts eine kleine "Lichtmühle" drehen, ein "Sonnensegel" im Weltall in Bewegung setzen oder auch den Schweif eines Kometen wegdrücken.

Besonders starke Effekte werden sichtbar, wenn das Licht in optischen Resonatoren eingesperrt wird. Darin sind zwei Spiegel so angeordnet, dass Licht möglichst oft zwischen ihnen reflektiert wird, was die Lichtintensität um ein Vielfaches erhöht. Ist einer der beiden Spiegel etwa auf einen Schwingbalken montiert und damit beweglich, kann er sogar vom Lichtdruck beeinflusst werden.

LMU-Forscher haben bereits 2004 allein mit Hilfe der Lichtkräfte einen solchen Balken auf eine Temperatur abgekühlt, die um einen Faktor 20 unter der Raumtemperatur lag. Ein internationales Team um die experimentell forschende Gruppe von Jack Harris und den Theoretiker Steve Girvin von der US-amerikanischen Yale University konnte jetzt die optischen und mechanischen Eigenschaften eines derartigen experimentellen Aufbaus entscheidend verbessern.

Ebenfalls an dem Projekt beteiligt war der Theoretiker Dr. Florian Marquardt vom Department für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. Wie die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature" berichten, wurde dank des neuen Systems ein Kühleffekt von fast einem Faktor Fünfzigtausend nachgewiesen: Das ist ein neuer Rekord und ein wichtiger Schritt auf dem Weg, künftig "Quantensprünge" der Schwingungszustände makroskopischer Objekte zu messen.

... mehr zu:
»Kühleffekt »Resonator

"Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie hat die Entwicklung der Physik seit ihren Anfängen begleitet", berichtet Marquardt. "Dabei weiß man auch schon lange, dass Licht selbst mechanische Kräfte ausüben kann, die in einem optischen Resonator verstärkt werden. Solche Systeme werden seit den 70er Jahren untersucht. Erst in jüngster Zeit aber werden kleinere, leichter schwingende Aufbauten genutzt, wie sie in der Mikro- und Nanophysik gefertigt werden. In diesen Systemen sind die Lichteffekte besonders ausgeprägt."

In der vorliegenden Arbeit zeigt Marquardt nun in Zusammenarbeit mit Forschern der US-amerkanischen Yale University, wie ein erweiterter Aufbau zu deutlich verbesserten Ergebnissen führen kann - und so völlig neue Perspektiven eröffnet. So könnten damit möglicherweise bald schon makroskopische Objekte erstmals in den quantenmechanischen Zustand tiefster Schwingungsenergie abgekühlt werden, um dann etwa die Schwingungsquantenzahl zu messen. Die Quantenmechanik untersucht und beschreibt Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene, die sich in ihren Eigenschaften und ihrem Verhalten vielfach unterscheiden von den makroskopischen Objekten der Alltagswelt.

Bei dem neuen Ansatz wird eine halbtransparente Membran in die Mitte des optischen Resonators eingeführt. Dessen optische Elemente, also die Spiegel, sind dann - anders als bei herkömmlichen Systemen - von dem mechanischen Element, der Membran, getrennt. "Damit erzielen wir eine um Größenordnung verbesserte Qualität optischer und mechanischer Eigenschaften", so Marquardt. "In der Praxis bedeutet das, dass wir selbst mit dem jetzt schon existierenden Aufbau einen Kühleffekt von fast dem Faktor Fünfzigtausend nachweisen konnten. Noch wichtiger als dieser Rekord und die technischen Verbesserungen ist aber die Tatsache, dass dieser Aufbau im Prinzip dazu verwendet werden kann, gequantelte Schwingungszustände eines makroskopischen Objekts zu messen, in diesem Fall ist das die schwingende Membran."

Es sind die besonderen Eigenschaften des Aufbaus, die dies ermöglichen: Im optischen Resonator bildet sich durch die vielfache Reflektion des Lichts eine stehende Lichtwelle aus. Je nachdem, an welcher Position dieser stehenden Welle sich die Membran genau befindet, ist ihr Effekt auf die optische Resonanzfrequenz verschieden. Der Effekt ist am stärksten, wenn sie sich an einem Intensitätsmaximum befindet, und am schwächsten an einem Minimum.

Mathematisch ausgedrückt: In der Nähe eines Maximums oder Minimums hängt die optische Resonanzfrequenz nicht mehr direkt linear von der Auslenkung der schwingenden Membran ab, sondern vom Quadrat der Auslenkung. Im Zeitmittel liefert das Quadrat der Auslenkung ein Maß für die Energie der Membran, was dann auf optischem Wege gemessen werden kann. In der quantenmechanischen Analyse dieses Messprozesses übersetzt sich die Energie direkt in die Zahl der in der Membran gespeicherten Schwingungsquanten, so dass diese direkt nachgewiesen werden könnte. "Bis zur Realisierung einer solchen Messung sind aber noch weitere Verbesserungen am Aufbau und am Abkühlverfahren notwendig", betont Marquardt.

"Trotzdem ist das eine aufregende Perspektive, weil es zum ersten Mal ermöglichen würde, 'Quantensprünge' zwischen den Schwingungszuständen eines makroskopischen Objekts nachzuweisen. Experimente dieser Art konnten bisher nur zum Beispiel an einzelnen Elektronen durchgeführt werden, und nicht an Objekten, die viele Billionen Mal schwerer sind."

Auf deutscher Seite wurde das Projekt gefördert vom Sonderforschungsbereich (SFB) 631 "Festkörperbasierte Quanteninformationsverarbeitung: Physikalische Konzepte und Materialaspekte" sowie vom Exzellenzcluster "Nanosystems Initiative Munich" (NIM). Florian Marquardt ist Leiter einer Nachwuchsgruppe im Rahmen des Emmy-Noether-Programms der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) am Arnold-Sommerfeld-Zentrum für Theoretische Physik der LMU.

Publikation:
"Strong dispersive coupling of a high finesse cavity to a micromechanical membrane",
J.D. Thompson, B.M. Zwickl, A.M. Jayich, Florian Marquardt, S.M. Girvin & J.G.E. Harris,

Nature, 6. März 2008

Ansprechpartner:
Dr. Florian Marquardt
Lehrstuhl für theoretische Festkörperphysik, Department für Physik der LMU
Tel.: 089 / 2180 - 4591
Fax: 089 / 2180 - 4155
E-Mail: Florian.Marquardt@physik.lmu.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.theorie.physik.uni-muenchen.de/~florian/
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Kühleffekt Resonator

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen
17.02.2017 | Universität Konstanz

nachricht Zukunftsmusik: Neues Funktionsprinzip zur Erzeugung der „Dritten Harmonischen“
17.02.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Im Focus: Breakthrough with a chain of gold atoms

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

Im Focus: Hoch wirksamer Malaria-Impfstoff erfolgreich getestet

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Im Focus: Sensoren mit Adlerblick

Stuttgarter Forscher stellen extrem leistungsfähiges Linsensystem her

Adleraugen sind extrem scharf und sehen sowohl nach vorne, als auch zur Seite gut – Eigenschaften, die man auch beim autonomen Fahren gerne hätte. Physiker der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Welt der keramischen Werkstoffe - 4. März 2017

20.02.2017 | Veranstaltungen

Schwerstverletzungen verstehen und heilen

20.02.2017 | Veranstaltungen

ANIM in Wien mit 1.330 Teilnehmern gestartet

17.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Innovative Antikörper für die Tumortherapie

20.02.2017 | Medizin Gesundheit

Multikristalline Siliciumsolarzelle mit 21,9 % Wirkungsgrad – Weltrekord zurück am Fraunhofer ISE

20.02.2017 | Energie und Elektrotechnik

Wie Viren ihren Lebenszyklus mit begrenzten Mitteln effektiv sicherstellen

20.02.2017 | Biowissenschaften Chemie