Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laserlicht kühlt mechanische Schwingungen

20.12.2006
Quantenteilchen und makroskopische Objekte werden generell verschiedenen Welten zugerechnet, die unterschiedlichen Gesetzmäßigkeiten gehorchen.

Dabei ist es für die Wissenschaftler von großem Interesse zu untersuchen, wo die Grenzen zwischen beiden Welten verlaufen, d.h. unter welchen Bedingungen mikroskopisch kleine Teilchen ihre Quanteneigenschaften verlieren, und wann bei "großen" Objekten mit dem Auftreten von Quanteneffekten zu rechnen ist.

Einem Team um Dr. Tobias Kippenberg, Leiter der Max Planck Nachwuchsgruppe "Laboratory of Photonics" am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) ist es nun gelungen, einen mechanischen Mikroresonator, der aus mehr als 1014 Molekülen besteht, von Raumtemperatur (ca. 300 Kelvin) auf 11 Kelvin abzukühlen (d.h. -260 Grad Celcius) (Phys. Rev. Lett. 97, 243905 ).

Dabei benutzen sie ein neuartiges Verfahren, das der schon seit geraumer Zeit für die Kühlung von Quantenteilchen - etwa Atomen und Ionen - angewandten Laserkühlung entspricht. In ihrem Experiment konnten sie eindeutig nachweisen, dass diese Absenkung der Temperatur allein auf den Druck der Lichtquanten zurückzuführen ist. Mit ihrem Verfahren sollte es nun prinzipiell möglich sein, den quantenmechanischen Grundzustand des Resonators zu erreichen, in dem seine Eigenschwingungen bis zu einem fundamentalen Limit reduziert sind.

... mehr zu:
»Laserlicht »Photon »Resonator »Schwingung

Die neuartige Methode könnte auch die Empfindlichkeit von Rasterkraftmikroskopen verbessern, in denen thermisch angeregte Schwingungen Rauschen verursachen.

Bei der oben erwähnten Laserkühlung von Quantenteilchen werden Atome mit Laserlicht bestrahlt, das etwas weniger Energie hat als zu ihrer Anregung nötig ist. Die Teilchen nehmen daher immer dann Licht auf, wenn sie sich auf den Strahl zu bewegen - dann sind sie aufgrund des Dopplereffekts in Resonanz - und werden dabei in dieser Richtung abgebremst.

Wird Laserlicht in einem aus zwei Spiegeln gebildeten Resonator eingefangen, um z.B. ihren Abstand zu bestimmen, dann kann es zu ganz ähnlichen Effekten der Energieübertragung kommen: der Druck der Photonen auf die Spiegel übt eine rückwirkende Kraft aus, die diese wiederum selbst verschiebt. Das Auftreten einer solchen "dynamischen Rückwirkung", die mechanische und optische Schwingungen verkoppelt, hat bereits in den 70er Jahren der russische Physiker Vladimir Braginsky vorhergesagt. Sie wirkt sich z.B. sehr störend beim Nachweis von Gravitationswellen aus, der darauf beruht, extrem kleine Längenänderungen eines optischen Resonators zu messen.

In einem mechanischen Mikrooszillator kann die dynamische Rückwirkung von Photonen die mechanischen Schwingungen im Prinzip sowohl verstärken als auch kühlen. Versuche, diesen Vorgang gezielt zur Kühlung zu nutzen, schlugen allerdings bis vor kurzem fehl. Voraussetzung dafür ist, dass die durchschnittliche Verweilzeit der Photonen im Resonator mit der mechanischen Schwingungsperiode übereinstimmt. Man benötigt also Systeme mit großer mechanischer Schwingungsfrequenz und hoher optischer und mechanischer Güte.

Für das vorliegende Experiment wird ein lithographisch gefertigter torusförmiger Mikroresonator mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern verwendet, der sich wie eine mikroskalige Stimmgabel mit einer mechanischen Resonanzfrequenz von 60 MHz verhält. Mit Hilfe einer lediglich 600 nm dünnen Glasfaser wird Laserlicht in den Resonator eingekoppelt. Dessen Frequenz liegt etwas unterhalb der Eigenfrequenz des Resonators, was man auch als "Rot-Verstimmung" bezeichnet. Dahinter steckt folgende Idee: Die in der Kavität eingesperrten Photonen streben danach, mit dem System in Resonanz zu kommen. Wenn sie bei den vielfachen Reflexionen an die Wände stoßen, nehmen sie daher (in den meisten Fällen) Energie auf. Diese wird dem Resonator entzogen, wodurch dessen mechanische Schwingungen gekühlt werden.

In der Tat ergaben die Messungen, dass sich unter dem Einfluss des Laserlichts die Amplitude der mechanischen Schwingungen verringerte und zwar desto stärker, je höher die Laserleistung war. Um die Messergebnisse korrekt zu interpretieren, entwickelten die Forscher ein analytisches Modell, mit denen sie aus den vorgegebenen experimentellen Parametern den Strahlungsdruck, die Kühlrate, die Verschiebung der mechanischen Resonanzfrequenz und das Dämpfungsverhalten berechnen konnten. Daraus ging einwandfrei hervor, dass thermische Effekte nicht mehr als 1% der Kühlung zu verantworten haben.

Zwar liegt die hier erreichte Temperatur von 11 Kelvin noch weit über der Temperatur des quantenmechanischen Grundzustands, in dem gar keine Phononen (Schwingungsquanten) mehr angeregt sind. Diese beträgt für die hier untersuchte Mikrokavität etwa 3 Millikelvin. Die Bedeutung des Experimentes liegt aber darin, den Kühleffekt erstmals quantitativ erfasst zu haben. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, die Verfahren so weiter zu entwickeln, dass man die Schwingungen zur Ruhe bringen und ein solches makroskopisches Objekt in den Quantenzustand versetzen kann, der mit herkömmlichen kryogenen Techniken nicht zu erreichen ist. [O.M.]

Originalveröffentlichung:
Physical Review Letters 97, Art. No. 243905 (December 2006)
Kontakt:
Dr. Tobias Kippenberg
Nachwuchsgruppe "Laboratory of Photonics"
Max-Planck-Institut für Quantenoptik,
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Telefon: +49 - 89 / 32905 727
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-Mail: tobias.kippenberg@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse & Kommunikation
Max-Planck-Institut für Quantenoptik,
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Telefon: +49 - 89 / 32905 213
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | idw
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/

Weitere Berichte zu: Laserlicht Photon Resonator Schwingung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Im Focus: Quantensensoren entschlüsseln magnetische Ordnung in neuartigem Halbleitermaterial

Physiker konnte erstmals eine spiralförmige magnetische Ordnung in einem multiferroischen Material abbilden. Diese gelten als vielversprechende Kandidaten für zukünftige Datenspeicher. Der Nachweis gelang den Forschern mit selbst entwickelten Quantensensoren, die elektromagnetische Felder im Nanometerbereich analysieren können und an der Universität Basel entwickelt wurden. Die Ergebnisse von Wissenschaftlern des Departements Physik und des Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel sowie der Universität Montpellier und Forschern der Universität Paris-Saclay wurden in der Zeitschrift «Nature» veröffentlicht.

Multiferroika sind Materialien, die gleichzeitig auf elektrische wie auch auf magnetische Felder reagieren. Die beiden Eigenschaften kommen für gewöhnlich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungen

Biowissenschaftler tauschen neue Erkenntnisse über molekulare Gen-Schalter aus

19.09.2017 | Veranstaltungen

Zwei Grad wärmer – und dann?

19.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

»Laser in Composites Symposium« in Aachen – von der Wissenschaft in die Anwendung

19.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Zentraler Schalter der Immunabwehr gefunden

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Materialchemie für Hochleistungsbatterien

19.09.2017 | Biowissenschaften Chemie