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Exquisite optische Kontrolle quantenmechanischer Oszillatoren

Wissenschaftler haben bahnbrechende Arbeiten auf dem Gebiet der optomechanischen Kopplung und Quantenmechanik vollendet. Sie haben mit Erfolg Verfahren entwickelt, die den Quantenzustand der Bewegung in Miniaturoszillatoren steuern und erfassen.
Exquisite optische Kontrolle quantenmechanischer Oszillatoren
Die optomechanische Kopplung, die Kopplung zwischen Licht und mechanischer Bewegung, ermöglicht die optische Einstellung von Oszillatoren mit hoher Genauigkeit und hoher Frequenz. Das von der EU finanzierte Projekt USOM will die ultrastarke optomechanische Kopplung durch Ausnutzung von Strahlungsdruck erleichtern. Endziel ist die Steuerung mechanischer Schwingungen im Quantenmaßstab. Die Forscher haben außerdem erstmalig die Möglichkeiten zur Nutzung plasmonischer Systeme von elektromagnetischen Feldern ausgelotet, die auf nanoskopische Volumen in optomechanischen Quantenexperimenten und -bauelementen begrenzt sind.

Mit reduzierter Systemgröße wird eine optimale Kopplungsstärke möglich. Die Wissenschaftler setzten auf Finite-Elemente-Modelle (Finite-Elemente-Methode, FEM), um miniaturisierte ringförmige Siliziumdioxidresonatoren zu entwerfen, die von äußerst verlustarmen "Speichen" mit sehr kleiner Masse gehalten werden. Die photonischen 2D-Kristallhohlräume ergaben eine rekordverdächtige Kopplung zwischen optischen Hohlraummodi und der Bewegung der akustischen Modi (hochfrequente mechanische Schwingungen). Das speichengestützte Design und die geringe Masse ermöglichten die Strahlungsdruckkühlung des Oszillatormodus bis in den Quantengrundzustand.

Letztlich konnten die Forscher die optische Kontrolle über den Quantenzustand der Bewegung in dem mechanischen Oszillator demonstrieren und die optomechanische Funktion optimieren. Sie wandten im Folgenden das System in den neuen, innerhalb des Projekts entwickelten experimentellen Quantenprotokollen an. Die Verfahrensweise im Ganzen ermöglichte die Abkühlung der optomechanischen Systeme bis in den Quantenzustand. Überdies gestatteten diese neuartigen Methoden auch die Steuerung und das Auslesen des Quantenbewegungszustands bei mechanischen Oszillatoren.

Eine zweite Vorstoßrichtung der Forschung resultierte in bahnbrechenden Experimenten, in welchen man die Einbeziehung eines Plasmonenresonators mit einem nanomechanischen Oszillator erforschte. Die Plasmonenresonanz ist ein Phänomen oszillierender Wellen der Elektronenladungsdichte, das sich auf einen äußerst kleinen Raum beschränkt. Wissenschaftler wandten einen Plasmonenresonator als einen Wandler der nanomechanischen Bewegung an, wobei die thermische Bewegung des Oszillators ausgelesen werden konnte.

USOM leistete Beiträge zu bahnbrechenden Entwicklungen auf dem Gebiet der optomechanischen Kopplung und optischen Kontrolle über den Quantengrundzustand der Bewegung von Oszillatoren. Die innerhalb dieses Projekts entwickelten Technologien und erprobten Verfahren werden gleichermaßen die Entwicklung neuartiger Bauelemente in Bereichen wie der Sensorik und Signalverarbeitung fördern.

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