Im Fachmagazin Science erläutert ein Team um die ERC-Synergy-Grant-Preisträger Markus Aspelmeyer, Lukas Novotny, Romain Quidant und Oriol Romero-Isart das Potential des neuen Forschungsfelds der Levitodynamik. Dieses bietet eine neue experimentelle Plattform mit einzigartigen Möglichkeiten für Grundlagenforschung sowie vielen möglichen Anwendungen wie der Sensortechnologie.
Heute ist die Kontrolle sowohl großer schwebender Objekte als auch einzelner Atome eine weit verbreitete Methode in Wissenschaft und Technik geworden. In den letzten Jahren haben viele Forscher*innen begonnen, auch neue Wege zu beschreiten: schwebende Nano- und Mikroteilchen im Vakuum - die kleiner sind als der Durchmesser eines einzelnen Haares, aber aus Milliarden von Atomen bestehen. Die Kontrolle von schwebenden Nano- und Mikroobjekten im Vakuum hat enorm an Dynamik gewonnen. Die Möglichkeit, Bewegung und Rotation dieser Objekte mit hoher Präzision zu steuern und zu messen, schuf eine neue experimentelle Plattform mit einzigartigen Möglichkeiten für die Grundlagen- und angewandte Forschung. „Um nur einige Beispiele zu nennen: Die hohe Empfindlichkeit von schwebenden Objekten gegenüber äußeren Kräften und Beschleunigung treibt sowohl die Entwicklung von Sensoren als auch die Suche nach neuen physikalischen Phänomenen voran, und die vollständige Kontrolle der Bewegung der Teilchen, ermöglicht die Prüfung stochastischer thermodynamischer Hypothesen. Darüber hinaus können Friktion und Rauschen mittels Ultrahochvakuum auf ein Minimum reduziert werden. Dies ebnet nicht nur den Weg für die Quantensensorik, sondern auch für die Untersuchung der makroskopischen Quantenverschränkung in einem bisher unerforschten Bereich großer Massen“, sagt Oriol Romero-Isart vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck.
Abgekühlt in den Quantengrundzustand
Im Jahr 2010 wurden erstmals quantenoptische Techniken präsentiert, mit denen die Bewegung eines schwebenden Nanoteilchens in einem optischen Resonator bis in den Quantengrundzustand abgekühlt werden kann. Seitdem wurden diese Ideen experimentell weiterentwickelt und durch Kontrollmechanismen ergänzt, die auf optischen, elektrischen und magnetischen Kräften basieren. Inzwischen konnten sowohl optische Resonatoren als auch aktive Rückkopplungssysteme die Bewegung eines dielektrisch levitierten Nanoteilchens erfolgreich in den Quantengrundzustand abkühlen und eröffneten so den Weg zu bisher unerforschter Quantenphysik.
Physik, Materialwissenschaft und Sensoren
Schwebende Nanoteilchen im Hochvakuum bieten neue Möglichkeiten für Forschung und Anwendungen, da hier eine bisher unerreichte Abschirmung von der Umwelt möglich ist. „Unser Methoden erlauben es, jede Art von Nanoobjekten schweben zu lassen und zu kontrollieren, von Magneten und Metallen über Diamanten mit Farbzentren und Graphen bis zu flüssigen Tröpfchen und sogar supraflüssiges Helium, mit Hilfe optischer, elektrischer und magnetischer Wechselwirkungen“, erklärt Carlos Gonzalez-Ballestero, Postdoktorand am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Diese Wechselwirkungen ermöglichen es auch, die internen Freiheitsgrade (z.B. Phononen, Magnonen, Exzitonen) mit den gut kontrollierten externen Freiheitsgraden (Translation, Rotation) zu koppeln.“ Schwebende Systeme sind ideale Testfelder für die Materialwissenschaft, in denen Materie unter extremen Bedingungen erforscht und sogar konstruiert werden kann. Darüber hinaus sind schwebende Systeme eine ideale Plattform für die Untersuchung von nichtlinearer Physik. Die Ausweitung der Kontrolle auf alle Freiheitsgrade eines schwebenden Teilchens erlaubt es, Rauschquellen und Dekohärenz zu reduzieren. Dies wird die Tür zu einem neuen Bereich der makroskopischen Quantenphysik öffnen (z. B. die Herstellung makroskopischer Quantenüberlagerungen von Objekten, die aus Milliarden von Atomen bestehen) und die Erforschung der schwachen Kräfte in noch unerforschten Bereichen (z.B. jene von Modellen für dunkle Materie vorhergesagten Kräfte) ermöglichen. Schließlich bietet der Einsatz schwebender Systeme für die hochempfindliche Messung von Kräften auch Möglichkeiten für kommerzielle Sensoranwendungen wie Gravimeter, Drucksensoren, Trägheitskraftsensoren und Sensoren für elektrische und magnetische Felder.