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 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