Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lichtgekühlte Mikro-Chips

14.04.2008
MPQ-Forscher wenden atomare Laserkühlung auf mesoskopische Systeme an

Makroskopische Objekte gehorchen den Gesetzen der klassischen Physik, mikroskopische den Gesetzen der Quantenmechanik. So weit, so gut. Aber wann hört ein System auf, sich klassisch zu verhalten und legt quantenmechanische Eigenschaften an den Tag?

Ein Testfeld dafür sind sogenannte mesoskopische, einige Mikrometer große Objekte, mit denen das Team von Dr. Tobias Kippenberg am MPQ in Garching hantiert. Bereits in früheren Arbeiten [1] gelang es den Wissenschaftlern, mit der für einzelne Quantenteilchen entwickelten Methode der Laserkühlung die Schwingungen eines mechanischen Mikroresonators effektiv zu dämpfen.

Nun haben sie gezeigt, dass sich auch die Weiterentwicklung der Laserkühlung, die "aufgelöste Seitenband-Kühlung", erfolgreich auf diese Objekte aus ca. 10 hoch 14 Molekülen anwenden lässt. Dieses Experiment ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg, den Quantengrundzustand eines Objektes zu erreichen. Die hier erfolgreich demonstrierte Kühlung ist aber auch von praktischen Interesse, kann sie doch zu einer Verbesserung von technischen Verfahren wie der Raster-Kraft -Mikroskopie beitragen.

... mehr zu:
»Ion »Laserkühlung »Photon

Die Experimente der selbständigen Max-Planck-Nachwuchsgruppe "Laboratory of Photonics" von Dr. Tobias Kippenberg am MPQ gehen auf eine Idee zurück, die der russische theoretische Physiker Vladimir Braginski bereits in den 1970er Jahren formulierte. Wenn Licht in einem Resonator eingefangen ist, dann übt der Druck der Photonen auf das System eine "rückwirkende Kraft" aus, die dessen mechanische Schwingungen beeinflusst.

Diese Kräfte lassen sich zur effektiven Kühlung des Systems nutzen, was allerdings dessen extrem hohe optische und mechanische Güte voraussetzt. Erst kürzlich erlangte Fortschritte in den Materialien machten es daher möglich, diese von Braginski geäußerte Idee experimentell umzusetzen. Heute befassen sich Forscher weltweit mit der Laserkühlung mechanischer Mikrosysteme, mit dem Ziel, thermische Fluktuationen so weit zu unterdrücken, dass Quanteneffekte messbar werden.

Auf diesem Gebiet arbeiten in Europa neben dem MPQ das Laboratoire Kastler-Brossel in Paris sowie die Universität Wien, in den USA die Yale University, das California Institute of Technology (Caltech), das National Institute of Standards and Technology (NIST), das Massachusetts Institute of Technology (MIT) sowie die University of California Santa Barbara (USCB).

Theoretische Untersuchungen der Max-Planck-Nachwuchsgruppe in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Wilhelm Zwerger an der Technischen Universität München, sowie parallele Arbeiten aus Yale und München, haben gezeigt, dass - in Analogie zur Laserkühlung von Atomen - der ultimative Quantengrundzustand, in dem die Bewegungsenergie des Oszillators auf das quantenmechanische Mindestmaß reduziert ist, aus grundsätzlichen Erwägungen in keinem der bis dato vorgeführten Experimente erreicht werden könnte.

Denn die rückwirkende Kraft der Photonen fluktuiert, d.h. die Lichtquanten versetzen dem System ganz zufällige "Kicks" und führen somit zu dessen Erwärmung. Einen Ausweg aus diesem Dilemma skizzierten Theoretiker schon in den 70er Jahren: die so genannte "aufgelöste Seitenband-Kühlung". Sie wurde erstmals in den 90er Jahren an einzelnen Atomen und Ionen erfolgreich erprobt.

Wenn sich ein Ion in einer Falle befindet, schwingt es ein wenig hin und her. Infolgedessen enthält das Absorptionsspektrum des Ions Serien von Seitenbändern, die um ein Einfaches oder Mehrfaches der Bewegungsfrequenz gegenüber der eigentlichen Resonanzfrequenz verschoben sind. Durch Einstrahlung mit Laserlicht, dessen Frequenz einem energetisch niedrigeren Seitenband entspricht, bringt man das Ion dazu, Photonen auszusenden, die mehr Energie haben als die Photonen, die es absorbiert. Dadurch erfolgt die Kühlung.

Auch in einem mechanischen Mikrooszillator kommt es unter bestimmten Bedingungen zu der Entstehung von Seitenbändern im optischen Absorptionsspektrum, so dass die "aufgelöste Seitenband-Kühlung" im Prinzip übertragbar ist. Voraussetzung dafür ist, dass die Frequenz des mechanischen Oszillators die optische Dissipationsrate übersteigt, so dass die Photonen über viele mechanische Schwingungsperioden im Resonator gefangen bleiben.
"Nur in diesem Fall kann der Kühlungseffekt die durch die Fluktuationen der Lichtkraft bewirkte Erwärmung überwiegen", erklärt Albert Schließer, Doktorand am Projekt.

Zusammen mit seinen Kollegen Rivière, Anetsberger und Dr. Arcizet konnte er dieses Regime jetzt auch experimentell erreichen. Dafür fertigten die Forscher in den Reinräumen von Prof. Jörg Kotthaus (Ludwig-Maximilians-Universität München) lithographisch gläserne Mikrotoroide an (Durchmesser: ca. 60 Mikrometer, mechanische Resonanzfrequenz: 70 MHz) und bestrahlten sie mit einem entsprechend rot-verstimmten Laser.
Die mechanischen Schwingungen wurden dann mit Hilfe eines weiteren, unabhängigen Lasersystems aufgezeichnet, wobei eine Empfindlichkeit von 10 hoch -18 Metern (100 Millionen Mal kleiner als der Durchmesser des Wasserstoffatoms) in einer Messzeit von nur einer Sekunde erreicht wurde. So konnte die starke Reduzierung der Fluktuationen des mechanischen Oszillators - also seine effektive Kühlung - zweifelsfrei nachgewiesen werden.

Die Methode der "aufgelösten Seitenband-Kühlung" wurde hier erstmals erfolgreich auf ein mesoskopisches Objekt angewandt. Der Quantengrundzustand wurde zwar noch nicht erreicht, der mechanische Freiheitsgrad konnte aber auf das etwa 5900-fache der Quantengrundzustandsenergie abgekühlt werden. Allerdings ist das Experiment ein fundamental wichtiger Schritt auf dem Weg, quantenmechanische Phänomene bei makroskopischen Objekten zu beobachten. Die Marschroute der MPQ-Forscher für die nahe Zukunft ist abgesteckt und lässt spannende Physik erwarten. [OM/AS]
[1]Schliesser, A., Del'Haye, P., Nooshi, N., Vahala, K. J. & Kippenberg, T. J.
Radiation pressure cooling of a micromechanical oscillator using dynamical backaction

Physical Review Letters 97, 243905 (2006).

Originalveröffentlichung:

Resolved Sideband Cooling of a Micromechanical Oscillator
A. Schliesser, R. Rivière, G. Anetsberger, O. Arcizet und T. J. Kippenberg
Nature Physics, DOI 10.1038/nphys939 (2008).
Kontakt:
Dr. Tobias Kippenberg
Max-Planck-Institut für Quantenoptik,
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Telefon: +49 - 89 / 32905 727
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-Mail: tobias.kippenberg@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse & Kommunikation
Max-Planck-Institut für Quantenoptik,
Telefon: +49 - 89 / 32905 213
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | idw
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de
http://www.mpq.mpg.de/k-lab

Weitere Berichte zu: Ion Laserkühlung Photon

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Radioteleskop LOFAR blickt tief in den Blitz
18.04.2019 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Erster astrophysikalischer Nachweis des Heliumhydrid-Ions
18.04.2019 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Explosion on Jupiter-sized star 10 times more powerful than ever seen on our sun

A stellar flare 10 times more powerful than anything seen on our sun has burst from an ultracool star almost the same size as Jupiter

  • Coolest and smallest star to produce a superflare found
  • Star is a tenth of the radius of our Sun
  • Researchers led by University of Warwick could only see...

Im Focus: Neues „Baustein-Konzept“ für die additive Fertigung

Volkswagenstiftung fördert Wissenschaftler aus dem IPF Dresden bei der Erkundung eines innovativen neuen Ansatzes im 3D-Druck

Im Rahmen Ihrer Initiative „Experiment! - Auf der Suche nach gewagten Forschungsideen“
fördert die VolkswagenStiftung ein Projekt, das von Herrn Dr. Julian...

Im Focus: Vergangenheit trifft Zukunft

autartec®-Haus am Fuß der F60 fertiggestellt

Der Hafen des Bergheider Sees beherbergt seinen ersten Bewohner. Das schwimmende autartec®-Haus – entstanden im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung...

Im Focus: Hybrid-Neuronen-Netzwerke mit 3D-Lithografie möglich

Netzwerken aus wenigen Neuronenzellen können gezielt künstliche dreidimensionale Strukturen vorgegeben werden. Sie werden dafür elektronisch verschaltet. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, Fehler in neuralen Netzwerken besser zu verstehen und technische Anwendungen mit lebenden Zellen gezielter zu steuern. Dies stellt ein Team aus Forschenden aus Greifswald und Hamburg in einer Publikation in der Fachzeitschrift „Advanced Biosystems“ vor.

Eine der zentralen Fragen der Lebenswissenschaften ist, die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen. Komplexe Abläufe im Gehirn ermöglichen uns, schnell Muster...

Im Focus: Was geschieht im Körper von ALS-Patienten?

Wissenschaftler der TU Dresden finden Wege, um das Absterben von Nervenzellen zu verringern und erforschen Therapieansätze zur Behandlung von ALS

Die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine unheilbare Erkrankung des zentralen Nervensystems. Nicht selten verläuft ALS nach der Diagnose innerhalb...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Event News

Revered mathematicians and computer scientists converge with 200 young researchers in Heidelberg!

17.04.2019 | Event News

First dust conference in the Central Asian part of the earth’s dust belt

15.04.2019 | Event News

Fraunhofer FHR at the IEEE Radar Conference 2019 in Boston, USA

09.04.2019 | Event News

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

Irdischer Schutz für außerirdisches Metall

18.04.2019 | Verfahrenstechnologie

Erster astrophysikalischer Nachweis des Heliumhydrid-Ions

18.04.2019 | Physik Astronomie

Radioteleskop LOFAR blickt tief in den Blitz

18.04.2019 | Physik Astronomie

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