Wissenschaftler in aller Welt arbeiten daran, die Quantennatur von Makroobjekten im Labor aufzuzeigen und nutzbar zu machen. Physikern um Gerhard Kirchmair ist es nun gelungen, einen mikromechanischen Oszillator magnetisch stark an einen supraleitenden Schaltkreis zu koppeln. In Zukunft könnten damit die Grenzen der Quantenwelt ausgelotet und neue Quantensensoren gebaut werden.
Die Gesetze der Quantenwelt sind so anders als jene in der für den Menschen beobachtbaren Welt. Seit langem fasziniert deshalb die Wissenschaft die Frage, wo die Grenze zwischen diesen beiden Welten liegt. Ein Weg dies auszuloten ist es, ein makroskopisches, aus sehr vielen Atomen bestehende Objekt so stark abzukühlen, dass es den Regeln der Quantenphysik gehorcht. Ähnlich wie bei der Laserkühlung von Atomen, werden auch für die Kühlung mechanischer Objekte optische Systeme verwendet. Mit solchen optomechanischen Experimenten konnten in den vergangenen Jahren bereits beachtliche Erfolge erzielt werden. Im Jahr 2015 haben die Innsbrucker Physiker Oriol Romero-Isart und Gerhard Kirchmair einen neuen Ansatz präsentiert, bei dem das mechanische Objekt nicht über elektrische Felder, sondern mit einem magnetischen Feld an einem supraleitenden Schaltkreis gekoppelt wird. Nun ist es dem Team um Gerhard Kirchmair am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck gelungen, diese Idee im Labor umzusetzen und einen mikromechanischen Oszillator so an einen supraleitenden Schaltkreis zu koppeln, dass schon ein einzelnes Photon das makroskopische Objekt abkühlen kann.
Photon kühlt Oszillator
Für das Experiment haben die Physiker an der Spitze eines circa 100 Mikrometer breiten mechanischen Oszillators einen Magneten angebracht. „Wenn die Mechanik sich bewegt, dann ändert das den magnetischen Fluss durch einen supraleitenden Schaltkreis“, erläutert Gerhard Kirchmair. Herzstück dieses supraleitenden Schaltkreises ist ein sogenanntes SQUID, ein supraleitendes Quanteninterferometer, das bei Flussänderungen seine Resonanzfrequenz ändert. „Dies können wir dann mit Hilfe von Mikrowellensignalen detektieren“, erklären David Zöpfl und Mathieu Juan, die beiden Erstautoren der nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen Arbeit. „Das Besondere an diesem Experiment ist, dass wir eine besonders starke Kopplung zwischen Mechanik und Schaltkreis erreichen.“ Die Kopplung ist so stark, dass mit nur einem einzelnen Photon - gemittelt über die Lebensdauer des Mikrowellenresonators - der Resonator abgekühlt werden kann. „Salopp formuliert, kann ein einzelnes Mikrowellenphoton den Zustand des massiven Oszillators, der einige zehn Nanogramm wiegt, ändern“, veranschaulicht Gerhard Kirchmair das wichtige Ergebnis.
Finanziell unterstützt wurde die Arbeit vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union.