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 Neue Harmonien in der Optoelektronik
21.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten