Quantenkühlung in zwei Dimensionen

Seit den Anfängen der Quantentheorie ist die Frage, ab welcher Grösse ein Objekt durch die Gesetze der Quantenphysik und nicht mehr durch die Regeln der klassischen Physik beschrieben wird, unbeantwortet geblieben.

Ein Team um Lukas Novotny (Zürich), Markus Aspelmeyer (Wien), Oriol Romero-Isart (Innsbruck) und Romain Quidant (Zürich) versucht, im Rahmen des ERC-Synergy-Projekts Q-Xtreme genau diese Frage zu beantworten.

Kontrolle über alle Dimensionen der Bewegung

Um die Grenzen der Quantenwelt zu erforschen, werden im Rahmen des Projekts nanoskopische Glaspartikel verwendet, die im Hochvakuum durch einen stark fokussierten Laserstrahl zum Schweben gebracht werden, wobei ihre Bewegung nahe der absoluten Grenze, d.h. bis zum Quantengrundzustand, abgekühlt wird.

Mehrere Experimente in Zürich und Wien, unterstützt durch theoretische Berechnungen von Dr. Gonzalez-Ballestero und Prof. Romero-Isart an der Universität Innsbruck, haben zu den ersten Demonstrationen einer solchen Abkühlung in den Grundzustand entlang einer der drei Bewegungsrichtungen der Teilchen geführt, wobei die Bewegung entlang der anderen beiden Richtungen «heiss» bleibt.

«Die Abkühlung in den Grundzustand in mehr als einer Richtung ist der Schlüssel zur Erforschung neuer Quantenphysik», betont Dr. Gonzalez-Ballestero vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. «Bisher war es jedoch schwierig, die Spiegel, zwischen denen sich das Teilchen befindet, dazu zu bringen, effizient mit der Bewegung entlang einiger der drei Richtungen zu interagieren.» Der so genannte «Dark State Effect» verhinderte die Abkühlung auf den vollen Grundzustand.

Mit unterschiedlichen Frequenzen zum Ziel

Nun ist es den Forschenden des Photonik-Labors der ETH Zürich erstmals gelungen, einen mechanischen Oszillator in einem Hohlraum zweidimensional in den Grundzustand zu kühlen. Basierend auf theoretischen Vorhersagen des Innsbrucker Teams gelang es den Schweizer Physikern, den Dark-State-Effekt zu umgehen. «Dazu haben wir die Frequenzen, bei denen das Teilchen in den beiden Richtungen schwingt, unterschiedlich gestaltet und die Polarisation des Laserlichts sorgfältig angepasst», sagt Lukas Novotny von der ETH Zürich.

Die Arbeit, die in Nature Physics veröffentlicht wurde, zeigt, dass es möglich ist, den minimalen Energiezustand für die drei Bewegungsrichtungen zu erreichen. Sie erlaubt es auch, fragile Quantenzustände in zwei Richtungen zu erzeugen, die für die Herstellung von ultrasensiblen Gyroskopen und Sensoren verwendet werden könnten.

Die Forschung wurde u. a. vom Europäischen Forschungsrat ERC und der Europäischen Union finanziell unterstützt.