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 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft
24.05.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten