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 MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise