Die Grenzen der Quantenoptomechanik versetzen

Eines der spannendsten und sich am schnellsten weiterentwickelnden Gebiete der Physik von heute ist die Optomechanik, bei der es um die Wechselwirkung zwischen Licht und mechanischer Bewegung geht. Die Forschung hat bereits die Gefilde erkundet, in denen es möglich ist, eine mechanische Bewegung mesoskopischer Systeme auf Quantenebene zu beobachten.

Ausgestattet mit den EU-Finanzmitteln des Projekts "Optomechanics at the quantum level" (OQL) wendeten die Wissenschaftler Mikroresonatoren an, die derzeit zu einer wichtigen Plattform für die Untersuchung optomechanischer Effekte auf Quantenebene geworden sind. Die Mikroresonatoren können unter Einsatz eines Größenbereichs von hundert Mikrometern bis zu einigen Millimetern im Durchmesser zur Erzeugung von Frequenzkämmen verwendet werden.

Ein Frequenzkamm ist eine Lichtquelle, deren Spektrum aus einer Reihe von optischen Femtosekundenimpulsen besteht. Die Träger-Einhüllenden-Frequenz (Carrier-Envelope Offset, CEO) und die Zahnteilung, d. h. die Wiederholungsrate, sind die Schlüsselparameter, die alle in einem Frequenzkamm vorkommenden Frequenzen bestimmen.

OQL leistete einen bahnbrechenden Beitrag zur Realisierung eines selbstreferenzierenden, optischen Mikroresonator-Frequenzkamms, den die Forschungsgemeinschaft langjährig zum Ziel hatte. Die umfassenden Bemühungen der Wissenschaftler um die Erzeugung hochenergetischer Solitonenimpulse resultierten in einem Spektrum, das ausreichend breit ist und sich über zwei Drittel einer Oktave erstreckt, die ihre Mitte bei 1 550 nm hatte.

Dieser Durchbruch versetzte sie in die Lage, mit der Messung der CEO-Frequenz unter Einsatz eines interferometrischen 2f-3f-selbstreferenzierenden Systems fortzufahren. Durch optische Überlagerung des erzeugten Lichts mit zwei Energietransferlasern verschiedener Frequenzen überprüften die Wissenschaftler die Kohärenz des erzeugten Spektrums. Dann stellten sie die Phase des ersten Lasers fest auf den erzeugten Frequenzkamm ein und die Phase des zweiten Lasers auf die erste. So konnte erstmals überhaupt die Mikroresonator-CEO direkt gemessen werden.

Die Leistungen im Rahmen des Projekts haben wichtige Folgen für viele Anwendungen, die präzise Messungen der absoluten optischen Frequenzen, beispielsweise bei optischen Atomuhren, erfordern. Neben Spektroskopie und Telekommunikation besteht eine weitere spannende Anwendung darin, Mikrowellensignale mit extrem geringem Phasenrauschen erzeugen zu können, welche die kommerziellen Mikrowellenphotonenquellen in beträchtlichem Ausmaß übertreffen könnten.