Eine wahrhaft magische Leistung lässt ein Nanopartikel schweben und sich seinem Quantengrundzustand annähern

In den letzten Jahrzehnten haben nanomechanische Quantenoszillatoren – nanometrische Versionen einer Gitarrensaite – die Grenzen der Quantenexperimente verschoben. Nanopartikel mithilfe winziger Photonenkräfte schweben zu lassen, kann nun ein neues Licht auf die Quantenwelt werfen.

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Im Laufe der Geschichte wurden immer wieder mechanische Oszillatoren zur Durchführung hochpräziser Messungen eingesetzt. Einige der größten Veränderungen in Bezug auf die Genauigkeit von Uhren und Armbanduhren beruhen auf der relativ einfachen klassischen Mechanik von Pendeln und Federn, wobei ein Ende an einem unbeweglichen und das andere an einem beweglichen Objekt befestigt ist. Mithilfe finanzieller Förderung durch die EU im Rahmen eines Zuschusses des Europäischen Forschungsrates (EFR) hat das Projekt QnanoMECA nun die volle Leistung nanomechanischer Quantenoszillatoren entfesselt, um die komplexe Quantenwelt mit einem ungebundenen beweglichen Objekt, einem Nanopartikel, zu untersuchen. Mit der Kraft des Lichts konnte das Team dieses zum Schweben bringen und hat damit neue Wege eröffnet, um extrem kleine Kräfte zu erfassen und große – für die Begriffe eines Quants – Objekte in das Quantenregime zu übertragen.

Nanopartikel im (Laser-)Rampenlicht

EFR-Stipendiat und Hauptforscher Romain Quidant erklärt: „Nanopartikel können mittels der winzigen Kräfte, die jedes Photon eines Laserstrahls auf Materie in seinem Weg ausübt, zum Schweben gebracht und eingefangen werden. Für diese optische Falle, auch bekannt als optische Pinzette, erhielt Arthur Ashkin den Nobelpreis für Physik 2018.“ Einer der Hauptvorteile eines ungeklemmten mechanischen Oszillators, der optischen Pinzette, ist seine extreme Isolation von der Umgebung. Dies ermöglicht mechanische Resonanz bei sehr genau definierten Frequenzen wie sehr reinen Tönen auf einer Gitarrensaite. Diese einzigartige Reinheit der Resonanz eröffnet wiederum die Möglichkeit, das Nanopartikel in das Quantenregime zu bringen, indem seine mechanische Energie (zur „Kühlung“ des Oszillators) auf weniger als ein mechanisches Quant (den Quantengrundzustand) reduziert wird. Die beispiellos reine Resonanz macht das oszillierende Nanopartikel auch zu einem hochempfindlichen Sensor seiner Umgebung. „Wir wissen, dass elementare Materieblöcke wie Atome und Ionen Quanten sind und den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen“, bemerkt Quidant. „Bei großen und dichten Ensembles aus Atomen wie den zum Schweben gebrachten Nanopartikeln sind die Dinge allerdings weniger klar. Unsere Plattform ermöglicht es uns, dieses unbekannte Regime zu erkunden und dabei sehr schwache physikalische Effekte zu beobachten, die zuvor nicht direkt gemessen werden konnten.“

Nutzung des unverhältnismäßig hohen Potenzials schwebender winziger Objekte

In den letzten fünf Jahren hat QnanoMECA verschiedene experimentelle Ansätze entwickelt, um Nanopartikel zum Schweben zu bringen und bis in das Quantenregime zu kühlen. In Zusammenarbeit mit dem EFR-Stipendiaten Lukas Novotny vom Projekt QMES hat das Team die mechanische Energie des Oszillators von etwa 50 Millionen Phononen auf ein paar Dutzend Phononen reduziert und damit Pionierarbeit geleistet. Geplant ist, das Quantenregime einzelner Photonen noch vor Ende des Projekts im Jahr 2020 zu erreichen. Darüber hinaus haben die Forschenden im Projekt QnanoMECA wichtige wissenschaftliche und technologische Schritte zur Erkennung extrem schwacher Kräfte unternommen, die in den kommenden Jahren zu einer neuen Generation mechanischer Hochleistungssensoren für Navigation und Seismologie beitragen könnten. Die levitierte Optomechanik ist ein relativ neues, aber wachsendes Gebiet, das mittlerweile weltweit mehr als 30 Gruppen zählt. Quidant erklärt: „Das Projekt hat uns unter den weltweit führenden Unternehmen im Bereich der levitierten Optomechanik positioniert. Es gibt jedoch noch viele unbeantwortete Fragen und ungeprüfte Theorien. Wir freuen uns sehr, dass wir die Möglichkeit haben, mit unserer Arbeit einige dieser Grenzen zu verschieben.“

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QnanoMECA, Quant, Nanopartikel, Photon, Licht, Schweben, Oszillator, nanomechanisch, Resonator, Laser, optische Pinzette, mechanische Energie, Phonon, optische Falle, schwache Kraft, levitierte Optomechanik, Kieselsäure

Quantum Optomechanics with a levitating nanoparticle

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