Labo Online - Analytic, Labortechnik, Life Sciences
Home> Wirtschaft + Wissenschaft> Archiv>

Neue Kühlmethode für mechanische Quantensysteme von Physiker der Universität Basel entwickelt

QuantenphysikKühlen mit der kältesten Materie der Welt

Physiker der Universität Basel haben eine neue Kühlmethode für mechanische Quantensysteme entwickelt: Mit einem ultrakalten atomaren Gas wurden die Schwingungen einer Membran auf weniger als 1 °C über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Diese Methode könnte unter anderem zu neuartigen Präzisionsmessinstrumenten führen, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“ berichten.

sep
sep
sep
sep
Atomwolke

Ultrakalte atomare Gase gehören zu den kältesten Objekten überhaupt. Mithilfe von Laserstrahlen lassen sich die Atome in einer Vakuumkammer einfangen und ihre Bewegung auf Schneckentempo abbremsen. Damit erreicht man Temperaturen von unter 1 Millionstel °C über dem absoluten Nullpunkt – der Temperatur, bei der alle Bewegung zum Stillstand kommt. Bei solch niedrigen Temperaturen gehorchen die Atome den Gesetzen der Quantenphysik: Sie bewegen sich wie kleine Wellenpakete durch den Raum und können sich in einer Überlagerung von mehreren Orten gleichzeitig befinden. Diese Eigenschaften werden technologisch ausgenutzt, so etwa in Atomuhren und anderen Präzisionsmessinstrumenten.

Anzeige

Ein ultrakalter atomarer Kühlschrank
Kann man diese ultrakalten Gase als Kühlmittel verwenden, mit dem sich andere Objekte ebenfalls auf niedrige Temperaturen abkühlen lassen? Dies würde vielfältige Möglichkeiten zur Untersuchung der Quantenphysik in neuen und möglicherweise größeren Systemen erschließen. Das Problem dabei ist, dass die Atome mikroskopisch klein sind und selbst die größten bisher erzeugten Wolken von einigen Milliarden ultrakalten Atomen immer noch viel weniger Teilchen als etwa ein kleines Sandkorn enthalten. Damit ist die Kühlleistung der Atome begrenzt.

Forschern der Universität Basel um Prof. Philipp Treutlein ist es nun gelungen, mit ultrakalten Atomen die Schwingungen einer millimetergroßen Membran zu kühlen. Die Membran ist ein 50 nm dünner Film aus Siliciumnitrid, der wie das Fell einer kleinen quadratischen Trommel auf und ab schwingt. Solche mechanischen Oszillatoren sind nie ganz in Ruhe, sondern vollführen Schwingungen, die von der Temperatur abhängen. Obwohl die Membran rund eine Milliarde Mal mehr Teilchen enthält als die atomare Wolke, wurde ein starker Kühleffekt beobachtet, der die Membranschwingungen auf weniger als 1 °C über dem absoluten Nullpunkt abkühlt.

„Der Trick dabei ist, die gesamte Kühlleistung der Atome auf den gewünschten Schwingungsfreiheitsgrad der Membran zu konzentrieren“, erklärt Dr. Andreas Jöckel, einer der Projektmitarbeiter. Die Wechselwirkung zwischen Atomen und Membran wird mit einem Laserstrahl erzeugt. „Das Laserlicht übt Kräfte auf Membran und Atome aus“, so der Physiker. „Schwingt die Membran, ändert das die Lichtkräfte auf die Atome – und umgekehrt.“ Der Laser überträgt die Kühlwirkung auf diese Weise über Distanzen von mehreren Metern, so dass sich die atomare Wolke nicht im direkten Kontakt mit der Membran befinden muss. Ein optischer Resonator aus zwei Spiegeln, zwischen denen sich die Membran befindet, verstärkt den Kopplungseffekt.

Erstes Experiment weltweit
Systeme, in denen ultrakalte Atome und mechanische Oszillatoren mithilfe von Licht gekoppelt werden, wurden bereits in theoretischen Arbeiten vorgeschlagen. Das Experiment der Universität Basel ist nun das weltweit erste, in dem ein solches System realisiert und für die Kühlung des Oszillators verwendet werden konnte. Mit weiteren technischen Verbesserungen sollte es möglich sein, die Schwingungen der Membran in den quantenmechanischen Grundzustand zu kühlen.

Die Kühlung mithilfe der Atome ist für die Forscher nur der erste Schritt: „Die gut kontrollierbare Quantennatur der Atome in Kombination mit der lichtinduzierten Wechselwirkung bietet auch neue Möglichkeiten zur Quantenkontrolle der Membran“, so Prof. Philipp Treutlein. Dies könnte Grundlagenexperimente zur Quantenphysik in einem relativ makroskopischen mechanischen System ermöglichen, das mit bloßem Auge sichtbar ist. Zudem ließen sich sogenannte verschränkte Zustände von Atomen und Membran erzeugen. Diese würden die Messung der Membranschwingungen mit bisher unerreichter Präzision ermöglichen, was wiederum in neuartigen Sensoren für kleine Kräfte und Massen Anwendung finden könnte.

Die Experimente an der Universität Basel wurden von der Europäischen Union finanziell unterstützt und sind Teil des Nationalen Forschungsschwerpunkts Quantenwissenschaften und Quantentechnologie (NCCR QSIT) sowie des Swiss Nanoscience Institutes (SNI).

Originalbeitrag:
Andreas Jöckel, Aline Faber, Tobias Kampschulte, Maria Korppi, Matthew T. Rakher, and Philipp Treutlein: Sympathetic cooling of a membrane oscillator in a hybrid mechanical-atomic system. Nature Nanotechnology, advance online publication (2014). DOI: 10.1038/nnano.2014.278.

Weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Philipp Treutlein
Universität Basel, Departement Physik
Tel. +41 61 267 37 66
E-Mail: philipp.treutlein@unibas.ch.

Anzeige
Diesen Artikel …
sep
sep
sep
sep
sep

Weitere Beiträge zum Thema

Ultraschnelles Elektronenmikroskop: Quantenzustand freier Elektronen bestimmt

Ultraschnelles ElektronenmikroskopQuantenzustand freier Elektronen bestimmt

Forschern der Universität Göttingen ist es gelungen, Elektronenblitze zu formen und zu messen, die kürzer als ein einzelner Lichtzyklus sind.

…mehr
Forschungsförderung durch ERC-Grant: Vom Quasiteilchen zur hochsensiblen Sensorik

Forschungsförderung durch ERC-GrantVom Quasiteilchen zur hochsensiblen Sensorik

Im Rahmen des Projekts Quem-Chem sollen Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie untersucht werden, um mit den dadurch gewonnenen Erkenntnissen u.a. hochempfindliche Sensoren entwickeln zu können. Im Mittelpunkt der jetzt mit einem ERC-Grant geförderten Arbeiten stehen Molekül-Plasmon-Hybrid-Systeme.

…mehr
Physiker testen mit einem Interferometer, ob die Standard-Quantenmechanik korrekt oder eine komplexere Theorie notwendig ist.

QuantenmechanikAuf der Suche nach Abweichungen von der Standardtheorie

Auf der Suche nach Abweichungen von der Standardtheorie der Quantenmechanik testeten Physiker, ob die Quantenmechanik ein noch raffinierteres mathematisches Regelwerk benötigt. 

…mehr
schwarze Diamanten

QuantenspeicherQuantenphysikalisch gekoppelte Diamanten

Atomare Fehler in Diamanten können als Quantenspeicher verwendet werden. An der TU Wien gelang es nun erstmals, Defekte unterschiedlicher Diamanten quantenphysikalisch zu koppeln. Diamanten mit winzigen Fehlern könnten für die Zukunft der Quantentechnologie eine große Rolle spielen. 

…mehr
Kryostat

Neuartige QuantenlichtquelleLichtteilchen im Doppelpack

Die Quantenphysik ist unter anderem deshalb so schwierig zu verstehen, weil sich die entsprechende Forschung meist in einem Mikrokosmos aus einzelnen Atomen, Elektronen und Photonen abspielt – also nicht greifbar für das menschliche Auge.

…mehr
Anzeige

Mediadaten 2018

LABO Einkaufsführer

Produktkataloge bei LABO

Produktkataloge zum Blättern


Hier finden Sie aktuelle Blätter-Kataloge von Herstellern aus der Branche. Einfach durchblättern oder gezielt nach Stichwort suchen!

Anzeige

LABO Web-Guide 2016 als E-Paper

LABO Web-Guide 2016

Web-Guide 2016


- Stichwortregister

- Firmenscreenshots

-Interessante Webadressen aus dem Labor

Anzeige

Neue Stellenanzeigen

Jetzt den LABO Newsletter abonnieren

LABO Newsletter abonnieren

Der kostenlose LABO Newsletter informiert Sie wöchentlich über neue Produkte, Lösungen, Technologietrends und Innovationen aus der Branche sowie Unternehmensnachrichten und Personalmeldungen.

LABO bei Facebook und Twitter