Makroskopische Objekte in der Quantenforschung

Als Meilenstein in den Naturwissenschaften arbeitet die Resonator-Optomechanik im Labor mit der Wechselwirkung zwischen Photonen und Spiegeln. So können makroskopische Objekte in Umgebungen untersucht werden, die Quanteneffekte sichtbar machen. Zudem ergeben sich spannende praktische Anwendungen für Forschungsbereiche wie die Sensor- oder Siliziumphotonik.

Eine übliche Versuchsanordnung beruht auf einem winzigen optischen Hohlraum, in dem die Ausbreitung von Licht aus allen Richtungen gezielt gesteuert wird und der an einen mechanischen Oszillator gekoppelt ist. Mittels Strahlungsdruck, d.h. dem Druck, den elektromagnetische Strahlung auf eine Oberfläche ausübt, kann ein mechanischer Resonator fast auf den quantenmechanischen Ausgangszustand gekühlt werden. Dieses System war Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts "Quantum phenomena in optomechanical systems" (QPOS).

Alle Experimente kombinierten passive Tieftemperaturkühlung mit optischer Kühlung. Das Team entwickelt ein neues System, bestehend aus einem Siliziumnitrid-Nanostab, der elektromagnetisch bzw. evaneszent an einen Kieselgel-Mikroresonator gekoppelt ist. Es zeigte eine unerwartet hohe Kooperativität (Maß der Kopplungsstärke), die mehrere unterschiedliche Experimente ermöglicht.

Mithilfe dieses Systems führte das Team eine lange Studie zur Rückkühlung durch, einer Technik, die auf der Verschiebung des Oszillators beruht, um eine diesbezügliche Kraft in einer Rückkopplungsschleife auf den Oszillator wirken zu lassen. Die Wissenschaftler kühlten den mechanischen Grundzustands eines Nanostrangs auf fünf bis 10 Phononen, die Maßeinheit für kollektive Schwingungen in kondensierter Materie. Das Ergebnis wird derzeit für einen Forschungsbericht vorbereitet.

In anderen Experimenten demonstrierten die Forscher, dass die signifikante Erwärmung durch optische Absorption reduziert werden muss, damit der Prozess energieeffizienter wird. Sie entwickelten auch eine Versuchsanordnung und theoretische Berechnungen zur Analyse von weiteren Quellen mechanischer Verluste, Phononenstreuung und Adsorption, bestehend aus einem hochfrequenten optomechanischen Resonator mit niedrigem Klemmverlust und soll demnächst in Tieftemperaturversuchen getestet werden.

QPOS entwickelte außerordentlich erfolgreich innovative Versuchseinrichtungen zur Analyse optomechanischer Wechselwirkung am Übergang von klassischen zu Quantenexperimenten. Deren Umsetzung hat zum Teil schon Früchte getragen, die demnächst in mehreren Publikationen vorgestellt werden.