Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultrakalte Atome an Nano-Membran gekoppelt

22.11.2011
Winzige mechanische Oszillatoren sind interessante Objekte, um die Grenze zwischen klassischer und Quantenphysik auszuloten. Forschern der Universität Basel ist es gelungen, eine nur 50 Nanometer dicke Membran und ultrakalte Atome aneinander zu koppeln. Ausserdem konnten sie die Eigenschaften der Membran untersuchen und zeigen, was ihre mechanische Güte begrenzt. Die Ergebnisse sind in den «Physical Review Letters» und «Applied Physics Letters» publiziert.

Licht kann Kräfte auf Materie ausüben: Zum Beispiel entsteht der Schweif eines Kometen unter anderem dadurch, dass das Sonnenlicht Teilchen aus dem Kometen herausreisst. Hierbei spricht man von Strahlungsdruck. Im Labor wird der Strahlungsdruck von Laserlicht dazu verwendet, um in einer Vakuumkammer Wolken von Atomen auf wenige millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. Bei diesen Temperaturen gehorchen die Atome den Gesetzen der Quantenphysik. Derzeit arbeiten zahlreiche Forschergruppen weltweit daran, diese Laserkühlung auch auf makroskopische Objekte wie mechanische Oszillatoren anzuwenden, um sie ebenfalls im Quantenregime untersuchen zu können.


Foto einer Membran aus Siliziumnitrid, wie sie in den Experimenten der Basler Forscher verwendet wurde. Max Riedel/Andreas Jöckel, Universität Basel

Gefangen in der Lichtwelle

Einem Forschungsteam um den Physiker Prof. Dr. Philipp Treutlein vom Departement Physik der Universität Basel ist es nun gelungen, einen Membranoszillator mit Hilfe von Laserlicht an eine Wolke von ultrakalten Atomen zu koppeln. Der Membranoszillator besteht aus einer nur 50 Nanometer dünnen Folie aus Siliziumnitrid, die in einem Siliziumrahmen eingespannt ist und wie ein Trommelfell schwingen kann. Ein von der Membran reflektierter Laserstrahl erzeugt eine stehende Lichtwelle, in der die Atome durch Lichtkräfte gefangen werden. «Schwingt die Membran, so bewegt sich die stehende Lichtwelle, in der die Atome gefangen sind. Das führt zu einer Kopplung der Membranschwingung an die Bewegung der Atome», erklärt Maria Korppi, die als Doktorandin am Experiment arbeitet. Die Bewegung der Atome in der Lichtwelle führt wiederum zu einer Modulation des Strahlungsdrucks auf die Membran. «Diese Rückwirkung der Atome auf die Membran konnten wir in unserem Experiment erstmals beobachten», so Korppi.

Mit solchen gekoppelten Systemen aus ultrakalten Atomen und nanomechanischen Membranen möchte man in Zukunft die Grenzen der Quantenphysik ausloten und neue Anwendungen in der Quantentechnologie erschliessen. «Unser Experiment ist ein erster Schritt in diese Richtung, da wir erstmals einen mechanischen Oszillator mit Hilfe von ultrakalten Atomen manipulieren konnten», erläutert Philipp Treutlein. Die Experimente wurden gemeinsam mit Kollegen von der LMU München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik durchgeführt.

Mechanischen Eigenschaften unter der Lupe

In einer zweiten Arbeit haben die Basler Forscher die mechanischen Eigenschaften der Nanomembran genauer unter die Lupe genommen. «Die Membran besitzt eine ungewöhnlich hohe mechanische Güte von über einer Million – das bedeutet, sie kann mehr als eine Million mal hin und her schwingen, bevor sie merklich gedämpft wird», so der Doktorand Andreas Jöckel. Zum Vergleich: Die Saiten eines Konzertflügels haben eine mechanische Güte von nur einigen Tausend. Eine hohe mechanische Güte ist aber sowohl Voraussetzung für die Verwendung der Membranen in Präzisionsmessungen als auch für die Beobachtung quantenmechanischer Effekte.

Was begrenzt die mechanische Güte der Membranoszillatoren? Zu dieser Frage, die Forscher in aller Welt schon seit einiger Zeit untersuchen, konnten die Basler Physiker nun einen wichtigen Teil der Antwort liefern. Sie konnten zeigen, dass in vielen Fällen die Kopplung der Membranschwingung an den Rahmen, in dem die Membran eingespannt ist, zu einer Begrenzung der mechanischen Güte führt. Was beim Klavier erwünscht ist, da erst durch die Kopplung der Saitenschwingung an das Gehäuse ein voller Klang entsteht, sollte man bei den Experimenten mit den Membranen der Nanophysik also unbedingt vermeiden.

Die Ergebnisse der Forscher wurden jetzt in den Fachzeitschriften «Physical Review Letters» und «Applied Physics Letters» publiziert. Die Arbeiten wurden vom Swiss Nanoscience Institute, dem NCCR Quantum Science and Technology, dem EU-Netzwerk AQUTE und der Nanosystems Initiative Munich unterstützt.

Originalbeiträge
Andreas Jöckel, Matthew T. Rakher, Maria Korppi, Stephan Camerer, David Hunger, Matthias Mader und Philipp Treutlein
Spectroscopy of mechanical dissipation in micro-mechanical membranes
Applied Physics Letters 99, 143109 (2011) | doi:10.1063/1.3646914
Stephan Camerer, Maria Korppi, Andreas Jöckel, David Hunger, Theodor W. Hänsch und Philipp Treutlein
Realization of an optomechanical interface between ultracold atoms and a membrane

Physical Review Letters 107, 223001 (2011) | doi:10.1103/PhysRevLett.107.223001

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Philipp Treutlein, Department Physik der Universität Basel, Tel. (0)61 267 37 66, E-Mail: philipp.treutlein@unibas.ch

Weitere Informationen:

http://apl.aip.org/resource/1/applab/v99/i14/p143109_s1
- Abstract 1
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v107/i22/e223001
- Abstract 2
http://physics.aps.org/articles/v4/97
- Physics Viewpoint: Hybrid Atom-Optomechanics von Albert Schliesser und Tobias J. Kippenberg

Reto Caluori | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Flashmob der Moleküle
19.01.2017 | Technische Universität Wien

nachricht Verkehrsstau im Nichts
19.01.2017 | Universität Konstanz

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: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

21.500 Euro für eine grüne Zukunft – Unserer Umwelt zuliebe

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

innovations-report im Interview mit Rolf-Dieter Lafrenz, Gründer und Geschäftsführer der Hamburger Start ups Cargonexx

20.01.2017 | Unternehmensmeldung

Niederlande: Intelligente Lösungen für Bahn und Stahlindustrie werden gefördert

20.01.2017 | Förderungen Preise