Photonen beim Gedrängel im Nanodraht zusehen
Die Hohlraum-Optomechanik ist ein aufregendes neues Gebiet, das die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und nano- oder mikromechanischer Bewegung erkundet. Die Fachleute manipulieren Photonen mit Spiegeln und mechanischen Resonatoren in Laborexperimenten und den Strahlungsdruck auszunutzen. Der Strahlungsdruck ist im Wesentlichen die Kraft von Licht oder Photonen pro Flächeneinheit, d. h. der Druck, der auf jede der Strahlung ausgesetzte Oberfläche ausgeübt wird. Die Wissenschaftler arbeiteten mit Hilfe der EU-Finanzierung des Projekts "Quantum nano optomechanics" (QNAO) daran, die Grenzen in diesem bahnbrechenden Gebiet zu überwinden. Sie demonstrierten die Möglichkeit der optischen Sondierung der nanoskaligen Bewegung von Oszillatoren im Subwellenlängenbereich mit Empfindlichkeiten nahe dem Standard-Quantenlimit. Sie realisierten innerhalb eines Raumtemperaturexperiments mit Nanoresonatoren von ultrageringer Masse Kraftmessungen mit Empfindlichkeiten im Attonewtonbereich (1x10-18 Newton). Quantum-Back-Action ist die Quantenanalogie des dritten Newtonschen Gesetzes, das besagt, dass für es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion gibt. Wissenschaftler beobachteten die optische Rückwirkung (Backaction), die durch den Lichtstrahl auf den Nanoresonator ausgeübt und eine starke Kopplung zwischen den Schwingungsmoden des Hohlraums anzeigt. In separaten Experimenten untersuchte das Team das Phänomen umgekehrt zur ersten Realisierung eines nanomechanischen Hybridspinsystems. Die Forscher befestigten ein einzelnes Qubit mit fehlendem Stickstoff, d. h. ein diamantbasiertes Modellsystem zur Untersuchung von elektronenspinbezogenen Phänomenen, am Ende eines frei hängenden Nanodrahts. Dabei handelt es sich um den Nanoresonator. Unter Einsatz der Spinspektroskopie bei diesem völlig neuen experimentellen System demonstrierten die Wissenschaftler, dass die Nanodrahtbewegung auf den Spinzustand aufgeprägt wird. Die Wissenschaftler starteten eine neue Forschungslinie, bei welcher der Spin automatisch auf den Resonator eingestellt ist, was die Tür hin zu noch moderneren Messprotokollen bei Hybridsystemen öffnet. Erkundungen mit Hohlraum-Optomechanik können dem Test fundamentaler Hypothesen über Licht-Materie-Wechselwirkungen wie etwa Gravitationstheorien dienen. Sie werden gleichermaßen den Weg zu vielen kurzfristigen und zukünftigen Anwendungen wie zum Beispiel ultraempfindlichen Beschleunigungs- und Kraftsensoren, Mikrowellenoszillatoren, optischer Signalverarbeitungstechnologie und Siliziumphotonik ebnen. Die bahnbrechenden Experimente von QNAO haben letztlich einen wertvollen Beitrag zu einem Gebiet von hohem Stellenwert geleistet.
Schlüsselbegriffe
Photonen, Nanodraht, Quant, Kopplung, Hohlraum-Optomechanik, Strahlungsdruck, Nanoresonator, Back-Action, Verschränkung, Qubit, Spin-Spektroskopie
