Schritt zur Beobachtung von Quantenphänomenen sichtbarer Objekte

10. November 2006, 17:28
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Drei Forschergruppen präsentieren neue Methoden: Mikroskopisch kleine Spiegel werden mittels Laser gekühlt

Wien - Bisher wurden Quantenphänomene nur an Lichtteilchen, Atomen oder Molekülen beobachtet. Doch weltweit arbeiten Physiker daran, solche Effekte auch an makroskopischen Systemen nachweisen zu können. Sicher ist, dass das nur bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius möglich sein wird. Drei Wissenschafter-Teams, darunter Wiener Quantenphysiker um Anton Zeilinger und Markus Aspelmeyer, stellen nun in der neuen Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift "Nature" neue Methoden zur Kühlung von mikroskopisch kleinen Spiegeln mit Hilfe von Laserlicht vor, die einen weiteren Schritt zur Beobachtung von Quanteneffekten an sichtbaren Objekten darstellen.

Der Bewegung der Atome entgegengewirkt

Seit Jahren werden Laser erfolgreich zum Abkühlen von wenigen Atomen oder kleinen Atomwolken verwendet. Dabei wird der Bewegung der Atome - die ja ihrer Temperatur entspricht - durch Lichtdruck entgegengewirkt, so dass diese immer langsamer - und damit kälter - werden, bis nahezu der absolute Nullpunkt erreicht ist. Dieses Prinzip haben die Wissenschafter nun so adaptiert, dass es auch für größere Objekte - in den konkreten Fällen winzige Spiegel - anwendbar ist.

100 mal 500 Mikrometer

Voraussetzung für die Experimente war es, mikroskopisch kleine Spiegel in höchster Qualität herstellen zu können, so Markus Aspelmeyer vom Institut für Experimentalphysik der Universität Wien. Dazu haben die Wiener Physiker mit Kollegen der Uni Linz (Dieter Bäuerle) und der Cornell University, New York (Keith Schwab) zusammengearbeitet. Das Ergebnis waren Spiegel in einer Größe von 100 mal 500 Mikrometer (ein halber Millimeter) und einer Dicke von drei Mikrometern, die nur 400 Nanogramm (Milliardstel Gramm) schwer sind, 99,6 Prozent des einfallenden Lichtes reflektieren und sehr hohe mechanische Qualität (also geringe Eigendämpfung bei Schwingung) aufweisen.

Die winzigen Spiegel sind so befestigt, dass sie - wie eine Gitarrensaite - frei schwingen können. Dadurch genügen schon einzelne Photonen, um sie beeinflussen und damit kühlen zu können. Dies passiert ähnlich einem federnden Sprungbrett im Schwimmbad, das man durch geschicktes Gegenfedern zur Ruhe bringen kann. Bewegt sich der Spiegel bei einer Schwingung auf die Lichtquelle (ein Laser) zu, werden mehr Photonen ausgesendet, um ihn zu bremsen, bewegt er sich von ihr weg, gibt es weniger Photonen, um ihn nicht zusätzlich noch zu beschleunigen.

Abkühlung gelungen

Durch ein ausgeklügeltes System mit einem zweiten Spiegel wird ein optischer Resonator gebildet, der den Druck der Photonen automatisch regelt, die Kühlung funktioniert völlig selbstständig. Mit diesem System ist es dem Team von Aspelmeyer und Zeilinger gelungen, den Spiegel von Raumtemperatur auf rund zehn Kelvin (etwa minus 263 Grad Celsius) abzukühlen.

Gleichartiges System

In "nature" stellten zwei weitere Forscher-Gruppen solche Spiegel-Kühlsysteme vor: unabhängig von der Wiener Gruppe hat der französische Physiker Pierre-Francois Cohadon von der Universite Pierre et Marie Curie in Paris ein völlig gleichartiges System wie jenes der Wiener Forscher entwickelt. Und eine Gruppe der University of California konnte mit ihrer Kühlmethode, bei welcher der Photonenfluss entsprechend der Schwingungen des Spiegels aktiv gesteuert wurde, eine Temperatur von nur 135 Millikelvin erreichen.

Aspelmeyer führt den Erfolg der US-Kollegen vor allem auf die bessere Qualität von deren Spiegel zurück. "Wir haben die zehn Kelvin in unserem ersten Versuch erreicht, mit noch nicht optimierten Spiegeln", sagte der Physiker. Deshalb soll in der nächsten Zeit vor allem an der Verbesserung der mechanischen Güte und der Reflexion der Spiegel gearbeitet werden.

Hausverstand harte Probe gestellt

Erwartet werden Quanteneffekte bei makroskopischen Objekten wie den derzeit verwendeten Spiegel laut Aspelmeyer bei einer Temperatur zwischen zehn Mikro- bis zehn Millikelvin. Die Frage, wann man so weit sein werde, kann und will der Physiker nicht beantworten. Eines ist jedenfalls klar: Sollte es den Wissenschaftern gelingen, Quantenphänomene auch an solch sichtbaren Objekten nachzuweisen, wird der gesunde Hausverstand auf eine harte Probe gestellt werden. Schließlich wird man dann beispielsweise nicht mehr exakt Ort und Impuls eines solchen Spiegels angeben können - eigentlich unvorstellbar für ein sichtbares Objekt. (APA)

  • Ein ausgeklügeltes System, die Kühlung funktioniert: Wissenschaftlerteams kamen hinter mögliche Methoden zur Sichtbarmachung von Quanteneffekten in makroskopischen Systemen. (Bild: Symbolfoto.)
    foto: standard/iqoqi

    Ein ausgeklügeltes System, die Kühlung funktioniert: Wissenschaftlerteams kamen hinter mögliche Methoden zur Sichtbarmachung von Quanteneffekten in makroskopischen Systemen. (Bild: Symbolfoto.)

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