Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Licht und Mikromechanik im Gleichklang

06.08.2009
Erstmals „starke Kopplung“ zwischen Photonen und mechanischem Objekt erzeugt

Physiker des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Wien und Innsbruck erzeugen erstmals eine Wechselwirkung zwischen Licht und Mikromechanik, die stark genug ist, um Quanteneffekte zu übertragen. Damit ist ihnen ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung „makroskopische Quantenphysik“ gelungen. Sie berichten darüber in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.

Die Quantenphysik ist voll von Paradoxien, die im Widerspruch zu unserer Alltagserfahrung stehen. Aber gelten die Quantengesetze auch für „alltägliche“ Objekte, die sich mit dem bloßen Auge sehen lassen? Diese Frage beschäftigte bereits Physiker wie Erwin Schrödinger seit den Anfängen der Quantentheorie. Die moderne Nano- und Mikrotechnologie lässt mögliche Experimente dazu näher rücken. Seit einigen Jahren wird weltweit intensiv an Quantenexperimenten mit mechanisch schwingenden Objekten geforscht. Solche mechanischen Oszillatoren können von einigen tausendstel Millimetern bis zu mehreren Zentimetern groß sein und wären damit mit Abstand die größten Objekte, an denen die Quantentheorie jemals getestet wurde. Um dies zu erreichen versucht man, die Eigenschaften eines elementaren Quantensystems, z.B. eines einzelnen Elektrons, Atoms oder Photons, auf das makroskopische mechanische Objekt zu übertragen. Das funktioniert allerdings nur, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind: der mechanische Oszillator muss bis nahe an den absoluten Temperaturnullpunkt (-273,15°C) gekühlt werden, und die Kraft zwischen mechanischem Oszillator und Elektron, Atom oder Photon muss stark genug sein, um dem natürlichen Zerfall der Quanteneigenschaften, der sogenannten Dekohärenz, entgegenzuwirken. Keine der beiden Bedingungen konnten bislang erfüllt werden. Nun ist es Forschern um Markus Aspelmeyer am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) erstmals gelungen, die zweite Bedingung zu erfüllen und die für Quanteneffekte wichtige „starke Kopplung“ zwischen einem mechanischen Objekt und Photonen zu erzeugen. Die Physiker berichten darüber in der neuesten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Nature.

Gekoppelte Bewegung von Licht und Mechanik
Im Experiment verwenden die Wissenschaftler um Aspelmeyer eine mechanische Brücke, die mit einer Breite von etwa einem zwanzigstel Millimeter (50 Mikrometer) und einer Länge von knapp einem sechstel Millimeter (150 Mikrometer) bereits mit dem bloßen Auge sichtbar ist. Mit Hilfe eines kleinen Spiegels mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern, der auf der Brücke befestigt ist, werden Photonen reflektiert und können so eine Kraft auf die mechanische Brücke ausüben (siehe Bild). „Diesen Strahlungsdruck haben wir bereits 2006 verwendet, um erstmals das Prinzip der mechanischen Laserkühlung zu demonstrieren“, sagt Aspelmeyer. „Um nun die erwünschte starke Kopplung zu erzeugen, greifen wir auf eine in der Quantenoptik etablierte Methode zurück, den optischen Resonator: Da die Kraft eines einzelnen Photons nicht stark genug ist, wird das Licht zunächst mit Hilfe eines zweiten Spiegels wieder zurückgeworfen und trägt dadurch mehrmals zum Kraftübertrag bei, bevor es aufgrund der nicht perfekten Verspiegelung zufällig durch einen der beiden Spiegel entkommt.“ Bei zu schwacher Lichteinstrahlung kann es immer noch zu lange dauern, bis genügend Kraft vom Licht zur Mechanik übertragen wird. In diesem Fall überwiegt die Dekohärenz und das Lichtfeld schwingt zwischen den Spiegeln im Wesentlichen unabhängig von der Bewegung der mechanischen Brücke. „Bei starker Lasereinstrahlung ändert sich dies drastisch: Der Kraftübertrag vom Licht auf die Mechanik findet nun rascher statt als Photonen den Spiegelresonator wieder verlassen können, und es kommt zu einer gekoppelten Bewegung des Lichts mit der Mechanik.“
Ein optomechanisches Pendel
„Diese Situation ist analog zu zwei Pendeln, z.B. zweier Standuhren, die entweder mit einem weichen Gummiband oder mit einer starken Feder miteinander verbunden werden“, erklärt Markus Aspelmeyer. „Im ersten Fall schwingen die beiden Pendel unbeeinträchtigt voneinander, im zweiten Fall kommt es aufgrund der ‚starken Kopplung’ der beiden Systeme zu einem völlig neuen, charakteristischen Schwingungsmuster.“ Das Experiment der österreichischen Forscher ist das erste, das diesen Effekt nun zwischen einem massiven mikromechanischen Pendel und einem optischen Lichtfeld erzeugt und beobachtet. Dies war bislang nur mit wenigen Atomen oder winzigen Quantenpunktsystemen möglich. Besonders interessant für spätere Quantenexperimente ist, dass die so erzeugte Schwingung weder rein optisch noch rein mechanisch ist, sondern eine echte optomechanische Anregung darstellt. „Im Energiespektrum des aus dem optischen Resonator austretenden Lichts fanden wir eindeutig die Schwingungsmuster des stark gekoppelten ‚optomechanischen’ Pendels“, freut sich Aspelmeyer. Nach diesem wichtigen Schritt hoffen die Forscher nun, durch zusätzliche Kühlung, wie etwa mit der bereits erfolgreich eingesetzten Laserkühlung, bald auch Quanteneffekte in mechanischen Objekten beobachten zu können: „Das nächste Ziel ist es, diese starke Kopplung mit der Kühlung der Mechanik zu verbinden.“, sagt Simon Gröblacher, Erstautor der Nature-Studie und Doktorand in Aspelmeyers Forscherteam. „Wir stehen mit diesem Experiment an der Schwelle dazu, im Labor überprüfen zu können, wie weit die Gesetze der Quantenphysik auch in unserer Makrowelt Gültigkeit haben.“

Die Forschungsergebnisse sind das Resultat einer fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen Experimentalphysikern und Theoretikern am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation: Der Innsbrucker Theoretiker Klemens Hammerer unterstützte das Wiener Team um Markus Aspelmeyer bei der Theorie des Experiments und der Interpretation der Daten. Gefördert wurden die Forscher dabei vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Europäischen Kommission und dem Foundational Questions Institute (FQXi).

Der im Vorjahr mit dem START-Preis ausgezeichnete Markus Aspelmeyer hat inzwischen eine weitere Stufe der akademischen Karriereleiter erklommen: Er wurde zum 1. August 2009 als Professor für „Quantum Information on the Nanoscale“ an die Fakultät Physik der Universität Wien berufen.

Publikation: Observation of strong coupling between a micromechanical resonator and an optical cavity field. S. Gröblacher, K. Hammerer, M. R. Vanner, M. Aspelmeyer. Nature 6. 8. 2009. doi:10.1038/nature08171

Kontakt:
Prof. Markus Aspelmeyer
Quantum Optics, Quantum Nanophysics,
Quantum Information
Fakultät für Physik der Universität Wien
Boltzmanngasse 5, A-1090 Wien
Email: markus.aspelmeyer@quantum.at
Tel.: +43 1 4277 29574
Mobil: +43 664 80515 29574
Dr. Christian Flatz
Public Relations
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation
Österreichische Akademie der Wissenschaften
Otto-Hittmair-Platz 1, 6020 Innsbruck, Austria
Tel. +43 650 5777122
E-Mail: pr-iqoqi@oeaw.ac.at

Dr. Christian Flatz | IQOQI
Weitere Informationen:
http://www.iqoqi.at/media/download
http://www.iqoqi.at
http://www.quantum.at/aspelmeyer

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau
17.11.2017 | Universität Ulm

nachricht Zwei verdächtigte Sterne unschuldig an mysteriösem Antiteilchen-Überschuss
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

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: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte