Quantenoptisches Kühlen von Nanoteilchen

Wenn ein Teilchen vollständig von seiner Umgebung isoliert wird, beginnen die Gesetze der Quantenphysik eine wesentliche Rolle zu spielen. Eine wichtige Bedingung für die Beobachtung von Quanteneffekten ist es, die thermische Energie der Bewegung zu reduzieren, das heißt sie so nahe wie möglich an den absoluten Nullpunkt zu kühlen. Wissenschafter der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) sind diesem Ziel einen Schritt näher gekommen, indem sie eine neue Methode zum Kühlen von Nanoteilchen im Experiment zeigen konnten. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie nun im renommierten Fachjournal PRL.

Stark fokussierte Laser können als "optische Pinzetten" dienen, um winzige Objekte zu fangen und zu manipulieren, von Glasteilchen bis hin zu lebenden Zellen. Für die Entwicklung dieser Methode wurde Arthur Ashkin der letztjährige Nobelpreis für Physik verliehen. Während die meisten Experimente in Luft oder Flüssigkeiten durchgeführt werden, gibt es derzeit wachsendes Interesse daran, mit optischen Pinzetten Objekte im Ultrahochvakuum zu halten: Solche isolierten Teilchen zeigen nicht nur eine bisher unerreichte Qualität als Sensoren, sondern können auch benutzt werden, um grundlegende Prozesse von Motoren auf der Nanoskala oder Quantenphänomene mit großen Massen zu untersuchen.

Ein wesentlicher Teil dieser Forschung besteht darin, uneingeschränkte Kontrolle über die Bewegung des Teilchens zu erzielen, idealerweise in einem Regime, wo die Gesetze der Quantenphysik sein Verhalten bestimmen. Frühere Versuche dies zu erzielen haben hierfür entweder die optische Pinzette selbst moduliert oder das Teilchen einem zusätzlichen Lichtfeld zwischen zwei hochreflektierenden Spiegeln, einer sogenannten optischen Cavity, ausgesetzt. Die hohe benötigte Laserintensität und Laserrauschen stellen große Herausforderungen für diese Methoden dar. "Unser neues Kühlschema ist direkt dem Gebiet der Atomphysik abgeschaut, wo ähnliche Herausforderungen für die Quantenkontrolle existieren", sagt Uros Delic, Erstautor der Veröffentlichung in Physical Review Letters, die in einer Zusammenarbeit von Wissenschaftern der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) unter der Leitung von Markus Aspelmeyer entstand.

Die Idee stammt ursprünglich vom Innsbrucker Physiker Helmut Ritsch und den US Physikern Vladan Vuletic und Steve Chu, die erkannten, dass es ausreicht Licht, das aus der optischen Pinzette selbst herausgestreut wird, zu nutzen. Hierfür muss das Teilchen lediglich in einer anfänglich leeren optischen Cavity gehalten werden.

Ein Nanoteilchen in einer optischen Pinzette streut einen winzigen Teil des Lichts in fast alle Richtungen. Falls sich das Teilchen in einer optischen Cavity befindet, kann ein Teil des gestreuten Lichts zwischen ihren Spiegeln gefangen werden. Dadurch wird das Licht vorzugsweise in die optische Cavity gestreut. Allerdings ist dies nur für bestimmte Farben möglich, oder anders gesagt, für bestimmte Photonenenergien. Wenn für die optische Falle Licht mit einer etwas kleineren Photonenenergie genutzt wird als nötig, wird das Nanoteilchen ein wenig seiner kinetischen Energie "opfern" um Streuung in die optische Cavity zu ermöglichen. Der Verlust an kinetischer Energie führt letztlich zur Kühlung der Teilchenbewegung. Die Methode wurde schon früher von Vladan Vuletic, einem Co-Autor dieser Arbeit, demonstriert. Hier wurde sie jedoch zum ersten Mal für Nanoteilchen verwendet und benutzt, um die Bewegung in alle drei Raumrichtungen zu kühlen.

"Unsere Kühlmethode ist wesentlich leistungsfähiger als bisherige Herangehensweisen. Ohne die Einschränkungen durch Laserrauschen und Laserleistung sollte der Beobachtung von Quanteneffekten mit levitierten Nanoteilchen nichts mehr im Weg stehen", so Delic.

Publikation in "Physical Review Letters"
U. Delić, M. Reisenbauer, D. Grass, N. Kiesel, V. Vuletić, and M. Aspelmeyer, “Cavity cooling of a levitated nanosphere by coherent scattering,” Phys. Rev. Lett. 122, 123602 (2019).
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.123602