Blast Chiller für die Quantenwelt

Supraleitender Schaltkreis (weiß) auf einem Siliziumsubstrat, der in einem Kupferhalter befestigt ist. Der Chip (silber) mit dem mikromechanischen Oszillator ist auf dem Siliziumsubstrat befestigt.
(c) IQOQI Innsbruck

Die Quantennatur von mit bloßem Auge sichtbaren Objekten ist aktuell eine vieldiskutierte Forschungsfrage.

Ein Team um den Innsbrucker Physiker Gerhard Kirchmair hat nun im Labor eine neue Methode demonstriert, die die Quanteneigenschaften von makroskopischen Objekten leichter als bisher zugänglich machen könnte. Mit der Methode konnten die Forscher die Effizienz einer etablierten Kühlmethode um den Faktor 10 steigern.

Mit optomechanischen Experimenten versucht die Wissenschaft, die Grenzen der Quantenwelt auszuloten und eine Grundlage für die Entwicklung hochempfindlicher Quantensensoren zu schaffen. Dabei werden mit freiem Auge sichtbare Objekte über elektromagnetische Felder an supraleitende Schaltkreise gekoppelt. Damit Supraleiter richtig funktionieren, finden solche Experimente in Kryostaten bei einer Temperatur von rund 100 Millikelvin statt. Doch dies reicht noch bei weitem nicht aus, um wirklich in die Quantenwelt abzutauchen. Um an makroskopischen Objekten Quanteneffekte beobachten zu können, müssen diese mit speziellen Kühlmethoden bis knapp an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Physiker um Gerhard Kirchmair vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) haben nun einen nichtlinearen Kühlmechanismus demonstriert, mit dem auch massive Objekte gut abgekühlt werden können.

Kühlleistung steigt überproportional

Die Innsbrucker Wissenschaftler koppeln im Experiment das mechanische Objekt – in ihrem Fall ein schwingender Balken – über ein magnetisches Feld an den supraleitenden Schaltkreis. Dazu haben sie an den rund 100 Mikrometer langen Balken einen Magneten angebracht. Bewegt sich dieser, ändert das den magnetischen Fluss durch den Schaltkreis, dessen Herzstück ein sogenanntes SQUID, ein supraleitendes Quanteninterferometer, ist. Dessen Resonanzfrequenz ändert sich abhängig vom magnetischen Fluss, was mit Hilfe von Mikrowellensignalen gemessen wird. Auf diesem Weg kann der mikromechanische Oszillator bis nahe an den quantenmechanischen Grundzustand gekühlt werden. Weiters erklärt David Zöpfl aus dem Team um Gerhard Kirchmair: „Die Änderung der Resonanzfrequenz des SQUID-Schaltkreises in Abhängigkeit der Mikrowellenleistung ist nicht linear. Dadurch können wir bei gleicher Leistung das massive Objekt um den Faktor 10 stärker kühlen.“ Diese neue, einfache Methode ist vor allem für die Kühlung von massiveren mechanischen Objekten besonders interessant. Sie könnte die Grundlage für die Suche nach den Quanteneigenschaften von größeren makroskopischen Objekten sein, sind Zöpfl und Kirchmair überzeugt.

Die Arbeit entstand gemeinsam mit Wissenschaftler*innen in Kanada und Deutschland und wurde nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlich. Finanziell unterstützt wurden die Forschungen unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union. Die Mitautoren Christian Schneider und Lukas Deeg sind oder waren Mitglieder des FWF-Doktoratskollegs Atome, Licht und Moleküle (DK-ALM).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Univ.-Prof. Dr. Gerhard Kirchmair
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507 4736
E-Mail: Gerhard.Kirchmair@uibk.ac.at
Web: https://iqoqi.at/_groups/en/group-page-kirchmair

Originalpublikation:

Kerr Enhanced Backaction Cooling in Magnetomechanics. D. Zoepfl, M. L. Juan, N. Diaz-Naufal, C. M. F. Schneider, L. F. Deeg, A. Sharafiev, A. Metelmann, and G. Kirchmair. Phys. Rev. Lett. 130, 033601 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.033601

http://www.uibk.ac.at

Media Contact

Dr. Christian Flatz Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie

Von grundlegenden Gesetzen der Natur, ihre elementaren Bausteine und deren Wechselwirkungen, den Eigenschaften und dem Verhalten von Materie über Felder in Raum und Zeit bis hin zur Struktur von Raum und Zeit selbst.

Der innovations report bietet Ihnen hierzu interessante Berichte und Artikel, unter anderem zu den Teilbereichen: Astrophysik, Lasertechnologie, Kernphysik, Quantenphysik, Nanotechnologie, Teilchenphysik, Festkörperphysik, Mars, Venus, und Hubble.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreiben Sie einen Kommentar

Neueste Beiträge

Eiskernprojekt beendet zweite Antarktis-Saison erfolgreich

Bohrprojekt Beyond EPICA erreicht eine Tiefe von 808 Metern im antarktischen Eisschild. Die zweite Antarktis-Saison des Eiskern-Bohrprojekts Beyond EPICA – Oldest Ice wurde erfolgreich abgeschlossen. Das internationale Forschungsprojekt wird von…

Mobilfunksystem für die zuverlässige Fernsteuerung von Drohnen

Unterbrechungsfreie Datenübertragung für unbemannte Flugkörper. Drohnen sind immer häufiger auch außerhalb der Sichtweite der steuernden Person unterwegs. Jedoch eignen sich konventionelle Fernsteuerungen aufgrund ihrer Reichweitenbegrenzung nicht für solche Flüge. Einfache…

Energetischer Quartiersumbau für bezahlbares Wohnen

Im Großprojekt »smood® – smart neighborhood« arbeiteten in den vergangenen Jahren unter wissenschaftlicher Beteiligung von Fraunhofer 16 Unternehmen, vier Forschungseinrichtungen und ein Verein an der Zukunft der energetischen Sanierung: Vom…

Partner & Förderer