Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lichte Momente mit Kühleffekt - Quantensprünge im mechanischen System gesucht

06.03.2008
Licht wird nicht nur von Materie absorbiert oder gestreut, sondern übt auch mechanische Kräfte aus. So kann der Strahlungsdruck des Lichts eine kleine "Lichtmühle" drehen, ein "Sonnensegel" im Weltall in Bewegung setzen oder auch den Schweif eines Kometen wegdrücken.

Besonders starke Effekte werden sichtbar, wenn das Licht in optischen Resonatoren eingesperrt wird. Darin sind zwei Spiegel so angeordnet, dass Licht möglichst oft zwischen ihnen reflektiert wird, was die Lichtintensität um ein Vielfaches erhöht. Ist einer der beiden Spiegel etwa auf einen Schwingbalken montiert und damit beweglich, kann er sogar vom Lichtdruck beeinflusst werden.

LMU-Forscher haben bereits 2004 allein mit Hilfe der Lichtkräfte einen solchen Balken auf eine Temperatur abgekühlt, die um einen Faktor 20 unter der Raumtemperatur lag. Ein internationales Team um die experimentell forschende Gruppe von Jack Harris und den Theoretiker Steve Girvin von der US-amerikanischen Yale University konnte jetzt die optischen und mechanischen Eigenschaften eines derartigen experimentellen Aufbaus entscheidend verbessern.

Ebenfalls an dem Projekt beteiligt war der Theoretiker Dr. Florian Marquardt vom Department für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. Wie die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature" berichten, wurde dank des neuen Systems ein Kühleffekt von fast einem Faktor Fünfzigtausend nachgewiesen: Das ist ein neuer Rekord und ein wichtiger Schritt auf dem Weg, künftig "Quantensprünge" der Schwingungszustände makroskopischer Objekte zu messen.

... mehr zu:
»Kühleffekt »Resonator

"Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie hat die Entwicklung der Physik seit ihren Anfängen begleitet", berichtet Marquardt. "Dabei weiß man auch schon lange, dass Licht selbst mechanische Kräfte ausüben kann, die in einem optischen Resonator verstärkt werden. Solche Systeme werden seit den 70er Jahren untersucht. Erst in jüngster Zeit aber werden kleinere, leichter schwingende Aufbauten genutzt, wie sie in der Mikro- und Nanophysik gefertigt werden. In diesen Systemen sind die Lichteffekte besonders ausgeprägt."

In der vorliegenden Arbeit zeigt Marquardt nun in Zusammenarbeit mit Forschern der US-amerkanischen Yale University, wie ein erweiterter Aufbau zu deutlich verbesserten Ergebnissen führen kann - und so völlig neue Perspektiven eröffnet. So könnten damit möglicherweise bald schon makroskopische Objekte erstmals in den quantenmechanischen Zustand tiefster Schwingungsenergie abgekühlt werden, um dann etwa die Schwingungsquantenzahl zu messen. Die Quantenmechanik untersucht und beschreibt Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene, die sich in ihren Eigenschaften und ihrem Verhalten vielfach unterscheiden von den makroskopischen Objekten der Alltagswelt.

Bei dem neuen Ansatz wird eine halbtransparente Membran in die Mitte des optischen Resonators eingeführt. Dessen optische Elemente, also die Spiegel, sind dann - anders als bei herkömmlichen Systemen - von dem mechanischen Element, der Membran, getrennt. "Damit erzielen wir eine um Größenordnung verbesserte Qualität optischer und mechanischer Eigenschaften", so Marquardt. "In der Praxis bedeutet das, dass wir selbst mit dem jetzt schon existierenden Aufbau einen Kühleffekt von fast dem Faktor Fünfzigtausend nachweisen konnten. Noch wichtiger als dieser Rekord und die technischen Verbesserungen ist aber die Tatsache, dass dieser Aufbau im Prinzip dazu verwendet werden kann, gequantelte Schwingungszustände eines makroskopischen Objekts zu messen, in diesem Fall ist das die schwingende Membran."

Es sind die besonderen Eigenschaften des Aufbaus, die dies ermöglichen: Im optischen Resonator bildet sich durch die vielfache Reflektion des Lichts eine stehende Lichtwelle aus. Je nachdem, an welcher Position dieser stehenden Welle sich die Membran genau befindet, ist ihr Effekt auf die optische Resonanzfrequenz verschieden. Der Effekt ist am stärksten, wenn sie sich an einem Intensitätsmaximum befindet, und am schwächsten an einem Minimum.

Mathematisch ausgedrückt: In der Nähe eines Maximums oder Minimums hängt die optische Resonanzfrequenz nicht mehr direkt linear von der Auslenkung der schwingenden Membran ab, sondern vom Quadrat der Auslenkung. Im Zeitmittel liefert das Quadrat der Auslenkung ein Maß für die Energie der Membran, was dann auf optischem Wege gemessen werden kann. In der quantenmechanischen Analyse dieses Messprozesses übersetzt sich die Energie direkt in die Zahl der in der Membran gespeicherten Schwingungsquanten, so dass diese direkt nachgewiesen werden könnte. "Bis zur Realisierung einer solchen Messung sind aber noch weitere Verbesserungen am Aufbau und am Abkühlverfahren notwendig", betont Marquardt.

"Trotzdem ist das eine aufregende Perspektive, weil es zum ersten Mal ermöglichen würde, 'Quantensprünge' zwischen den Schwingungszuständen eines makroskopischen Objekts nachzuweisen. Experimente dieser Art konnten bisher nur zum Beispiel an einzelnen Elektronen durchgeführt werden, und nicht an Objekten, die viele Billionen Mal schwerer sind."

Auf deutscher Seite wurde das Projekt gefördert vom Sonderforschungsbereich (SFB) 631 "Festkörperbasierte Quanteninformationsverarbeitung: Physikalische Konzepte und Materialaspekte" sowie vom Exzellenzcluster "Nanosystems Initiative Munich" (NIM). Florian Marquardt ist Leiter einer Nachwuchsgruppe im Rahmen des Emmy-Noether-Programms der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) am Arnold-Sommerfeld-Zentrum für Theoretische Physik der LMU.

Publikation:
"Strong dispersive coupling of a high finesse cavity to a micromechanical membrane",
J.D. Thompson, B.M. Zwickl, A.M. Jayich, Florian Marquardt, S.M. Girvin & J.G.E. Harris,

Nature, 6. März 2008

Ansprechpartner:
Dr. Florian Marquardt
Lehrstuhl für theoretische Festkörperphysik, Department für Physik der LMU
Tel.: 089 / 2180 - 4591
Fax: 089 / 2180 - 4155
E-Mail: Florian.Marquardt@physik.lmu.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.theorie.physik.uni-muenchen.de/~florian/
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Kühleffekt Resonator

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Auf die Nähe kommt es an: Wie Kristall den Widerstand von Graphen beeinflusst
29.01.2020 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Wie man ein Bild von einem Lichtpuls macht
27.01.2020 | Technische Universität Wien

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: Schnellster hochpräziser 3D-Drucker

3D-Drucker, die im Millimeterbereich und größer drucken, finden derzeit Eingang in die unterschiedlichsten industriellen Produktionsprozesse. Viele Anwendungen benötigen jedoch einen präzisen Druck im Mikrometermaßstab und eine deutlich höhere Druckgeschwindigkeit. Forscherinnen und Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein System entwickelt, mit dem sich in bisher noch nicht erreichter Geschwindigkeit hochpräzise, zentimetergroße Objekte mit submikrometergroßen Details drucken lassen. Dieses System präsentieren sie in einem Sonderband der Zeitschrift Advanced Functional Materials. (DOI: 10.1002/adfm.201907795).

Um nicht nur die Geschwindigkeit, sondern auch die Zuverlässigkeit ihres Aufbaus zu demonstrieren, haben die Forscherinnen und Forscher eine 60 Kubikmillimeter...

Im Focus: Wie man ein Bild von einem Lichtpuls macht

Um die Form von Lichtpulsen zu messen, brauchte man bisher komplizierte Messanlagen. Ein Team von MPI Garching, LMU München und TU Wien schafft das nun viel einfacher.

Mit modernen Lasern lassen sich heute extrem kurze Lichtpulse erzeugen, mit denen man dann Materialien untersuchen oder sogar medizinische Diagnosen erstellen...

Im Focus: Ein ultraschnelles Mikroskop für die Quantenwelt

Was in winzigen elektronischen Bauteilen oder in Molekülen geschieht, lässt sich nun auf einige 100 Attosekunden und ein Atom genau filmen

Wie Bauteile für künftige Computer arbeiten, lässt sich jetzt gewissermaßen in HD-Qualität filmen. Manish Garg und Klaus Kern, die am Max-Planck-Institut für...

Im Focus: Integrierte Mikrochips für elektronische Haut

Forscher aus Dresden und Osaka präsentieren das erste vollintegrierte Bauelement aus Magnetsensoren und organischer Elektronik und schaffen eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von elektronischer Haut.

Die menschliche Haut ist faszinierend und hat viele Funktionen. Eine davon ist der Tastsinn, bei dem vielfältige Informationen aus der Umgebung verarbeitet...

Im Focus: Dresdner Forscher entdecken Mechanismus bei aggressivem Krebs

Enzym blockiert Wächterfunktion gegen unkontrollierte Zellteilung

Wissenschaftler des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus Dresden im Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen Dresden (NCT/UCC) haben gemeinsam mit einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

HDT-Tagung: Sensortechnologien im Automobil

24.01.2020 | Veranstaltungen

Tagung befasst sich mit der Zukunft der Mobilität

22.01.2020 | Veranstaltungen

ENERGIE – Wende. Wandel. Wissen.

22.01.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Zu viel Stickstoff bremst Waldwachstum in Europa

29.01.2020 | Agrar- Forstwissenschaften

Wenn Magic Mushrooms blau machen

29.01.2020 | Biowissenschaften Chemie

Vegetation der Berggebiete trocknet Alpenflüsse aus

29.01.2020 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics