31.01.2020

Ein Quantum Festkörper

Forscher in Österreich bringen mithilfe eines Lasers ein Nanoteilchen aus Glas zum Schweben und kühlen es erstmals bis in das Quantenregime. Obwohl es in einer Umgebung bei Raumtemperatur gefangen ist, wird die Bewegung des Teilchens ausschließlich durch die Gesetze der Quantenphysik bestimmt. Das Team von Wissenschaftlern der ÖAW, der Universität Wien und des MIT veröffentlicht seine neue Studie in Science.

Wissenschaftler aus Wien am Experiment, das ein schwebendes Nanoteilchen in seinen bewegten Quantengrundzustand kühlte. © Lorenzo Magrini, Yuriy Coroli; Universität Wien

Quanteneigenschaften einzelner Atome können bekanntermaßen durch Laserlicht kontrolliert und manipuliert werden. Selbst große Wolken aus Hunderten von Millionen von Atomen können in das Quantenregime gebracht werden. Dadurch entstehen makroskopische Quantenzustände der Materie wie Quantengase oder Bose-Einstein-Kondensate, die heutzutage auch in neuartigen Quantentechnologien zum Einsatz kommen. Ein nächster spannender Schritt ist es, nun diese Techniken zur Quantenkontrolle auch auf Festkörper zu erweitern. Im Gegensatz zu Atomwolken hat ein Festkörper eine milliardenfach höhere Dichte und alle Atome bewegen sich zwangsläufig gemeinsam entlang eines gemeinsamen Massenschwerpunktes. Dies sollte neue makroskopische Quantenzustände mit großen Massen ermöglichen.

Abkühlen nahe dem Nullpunkt

Das Erreichen dieses neuen Parameterregimes ist jedoch keineswegs eine einfache Weiterentwicklung. Ein erster Schritt um die nötige Quantenkontrolle zu erreichen besteht darin, das zu untersuchende Objekt von den Einflüssen der Umgebung zu isolieren und seiner Bewegung sämtliche thermische Energie zu entziehen. Erst nach dem Abkühlen auf Temperaturen sehr nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) dominiert die Quantenmechanik die Bewegung des Teilchens. Um dies zu zeigen, wählten die Forscher ein Experiment mit einer Glaskugel, die etwa tausendmal kleiner als ein typisches Sandkorn ist und einige hundert Millionen Atome enthält.

Die Isolation von der Umgebung wird durch optisches Halten des Teilchens in einem stark fokussierten Laserstrahl im Hochvakuum erreicht, ein Trick, der erstmals vor einigen Jahrzehnten vom Nobelpreisträger Arthur Ashkin vorgestellt wurde und der auch zur Kontrolle von Atomen eingesetzt wird. "Die eigentliche Herausforderung besteht für uns darin, die Teilchenbewegung in ihren Quantengrundzustand zu kühlen. Die Laserkühlung über atomare Übergänge ist gut etabliert und bietet sich für Atome auch an, aber sie funktioniert nicht für Festkörper", sagt der Hauptautor Uros Delic von der Universität Wien.


Glasperle verhält sich wie Quantenteilchen

Aus diesem Grund nutzt das Team eine Methode zur Kühlung mit Laserlicht, die vom österreichischen Physiker Helmut Ritsch an der Universität Innsbruck und – unabhängig – auch vom Studien-Koautor Vladan Vuletic und dem Nobelpreisträger Steven Chu vorgeschlagen wurde. Sie hatten vor kurzem das Prinzip der "Hohlraumkühlung durch kohärente Streuung" demonstriert, dabei jedoch noch weit weg vom Quantenregime operiert.

"Wir haben unser Experiment aufgerüstet und sind nun in der Lage, nicht nur mehr Hintergrundgas zu entfernen, sondern auch mehr Photonen zur Kühlung hineinzuschicken", sagt Delic. „Auf diese Weise kann die Bewegung der Glasperle direkt in das Quantenregime gekühlt werden. "Es ist eine erstaunliche Situation: Die Oberfläche der Glaskugel ist extrem heiß, etwa 300°C, weil der Laser das Material erwärmt. Aber die Bewegung des Massenmittelpunkts des Teilchens ist ultrakalt, etwa 0,00001°C vom absoluten Nullpunkt entfernt, und wir können zeigen, dass sich das heiße Teilchen wie ein Quantenteilchen verhält.“

Tor zu neuen Quantenexperimenten

Die Forscher sind vom Ausblick, den ihre Arbeit eröffnet, begeistert. Die Quantenbewegung von Festkörpern wurde in den letzten zehn Jahren von Gruppen aus aller Welt, auch aus dem Wiener Team, untersucht. Bisher bestanden die meisten experimentellen Systeme aus nano- und mikromechanischen Resonatoren, im Wesentlichen Trommeln oder Sprungbretter, die an einer Trägerstruktur fixiert sind. "Optische Levitation erlaubt viel mehr Freiheit: Durch die Manipulation der optischen Falle – oder sogar das Ausschalten – können wir die Bewegung der Nanoteilchen auf völlig neue Weise kontrollieren", sagt Ko-Autor Nikolai Kiesel.

Verschiedene Vorschläge in dieser Richtung wurden unter anderem von den ÖAW-Physikern Oriol Romero-Isart und Peter Zoller in Innsbruck gemacht und könnten nun Realität werden. In Kombination mit dem neu erreichten Quantenregime erwarten die Autoren zum Beispiel Perspektiven für eine neue Art von hochsensitiven Messgeräten, das Erforschen grundlegender Prozesse von Wärmekraftmaschinen im Quantenregime sowie die Untersuchung von Quantenphänomenen mit großen Massen eröffnet. "Vor einem Jahrzehnt haben wir dieses Experiment begonnen, motiviert durch die Aussicht auf eine neue Kategorie von Quantenexperimenten. Nun haben wir endlich das Tor dazu geöffnet."

 

PUBLIKATION

"Cooling of a Levitated Nanoparticle to the Motional Quantum Ground State", Delić, U., Reisenbauer, M., Dare, K., Grass, D., Vuletić, V., Kiesel, N. & Aspelmeyer, M., Science 2020.

DOI: 10.1126/science.aba3993