Optische Kühlung von Festkörpern auf der Nanoskala

Wir haben es alle schon selber am Strand erlebt: Wenn die Sonne auf den Sand scheint, wird er heiß. Und dennoch: Laserlicht kann man auch verwenden, um Sand zu kühlen. Genauer gesagt, um die Bewegung der Sandkörner einzufrieren. So seltsam dieses Unterfangen klingen mag: die dafür notwendigen Methoden bilden die Basis für zukünftige Untersuchungen zu den Grundlagen der Quantenphysik sowie für hochempfindliche Sensoren.

Kühlendes Laserlicht

Dass intensives Laserlicht nicht nur heizen sondern auch kühlen kann, ist seit den Vorschlägen von gleich vier späteren Nobelpreisträgern (Hänsch, Schawlow, Wineland, Dehmelt) aus dem Jahr 1975 bekannt. Jedes Lichtteilchen (Photon) trägt nicht nur Energie, sondern vor allem auch einen Impuls, den es in einem Streuprozess an frei fliegende Atome oder andere Teilchen übertragen kann. Während der Impulsübertrag des Lichts auf den Sandstrand keinerlei messbare Auswirkungen hat, kann die Geschwindigkeit eines einzelnen freien Atoms typischerweise schon um zehn km/h geändert werden, selbst wenn es nur ein einziges sichtbares Photon streut.

Diese Idee hat in der Atomphysik in den letzten 40 Jahren zur Entwicklung zahlreicher Methoden geführt, die es heute möglich machen, Atome und zweiatomige Moleküle ultrapräzise zu kontrollieren und ihre Bewegung auf Temperaturen im Bereich von Bruchteilen eines Millionstel Kelvins zu kühlen. Bei derart tiefen Temperaturen ändern sich die Eigenschaften der Materie grundlegend, da dann Quanteneffekte eine dominante Rolle spielen.

Quanteneigenschaften sichtbar machen

Die beiden Wiener Forschungsgruppen um Markus Aspelmeyer und Markus Arndt an der Universität Wien beschäftigen sich schon seit vielen Jahren mit den Grundlagen der Quantenphysik und mit der Frage, wie man Materie so präparieren kann, dass ihre Quanteneigenschaften sichtbar und nutzbar werden. Erst vor kurzem hat die Gruppe um Markus Arndt einen neuen Weltrekord aufgestellt, bei dem sie quantenmechanische Welleneigenschaften mit Molekülen von bislang unerreichter Größe und Masse nachgewiesen hat. Das Forschungsteam um Markus Aspelmeyer konnte in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Oskar Painter am California Institute of Technology erstmals zeigen, dass sich die Bewegung einer nanomechanischen Brücke mit Laserlicht bis ins Quantenregime abkühlen lässt.

Komplexe innere Struktur

Im Übergangsbereich zwischen der Nanowelt der Atome und der Makrowelt mechanischer Brücken liegen aber viele Zehnerpotenzen an Masse und Komplexität. In diesem quantenoptisch unerforschten Bereich gab es bislang keinerlei Methode, auf definierte Weise Nanoteilchen mit Laserlicht zu kühlen. Bislang scheiterte das daran, dass die komplexe innere Struktur der Nanopartikel keine resonante Ankopplung an das Licht erlaubt. Werden die Photonen aber geschluckt anstatt elastisch gestreut, dann können die Nanoteilchen so stark geheizt werden, dass sie zerbersten oder für jede weitere Wechselwirkung mit dem Licht blind werden.

Der Weg

Ein früher Vorschlag des Teams um den Innsbrucker Theoretiker Helmut Ritsch aus dem Jahr 1997 und folgend auch um den Nobelpreisträger Steven Chu zeigt den Weg: Statt die Absorptionseigenschaften der Teilchen – die zu deren Zerstörung führen – zu nutzen, kann man ihre Brechungseigenschaften verwenden. Auch Quarzlinsen bestehen schlussendlich nur aus Sand. Als Glas kann er nahezu perfekt transparent sein und dennoch das Licht brechen. Richtig platziert können Glaskügelchen mit einem Durchmesser im Bereich weniger Tausendstel Millimeter ihre optische Umgebung so verändern, dass sie bei der Streuung von Licht immer nur Energie verlieren statt sie zu gewinnen.

Die Lösung

Und das geht so: Schickt man Laserlicht in einen optischen Resonator, der im einfachsten Fall aus zwei Spiegeln besteht, so entsteht zwischen diesen Spiegeln ein sinusförmiges Muster aus Bereichen,  in denen es an manchen Orten sehr viel und an anderen Orten sehr wenig Licht gibt: eine Stehwelle. Nur wenn die Länge des Resonators genau ein Vielfaches der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts beträgt, ist die Intensität der Lichtfelder im Resonator maximal. Gibt man nun Nanoteilchen in diese Welle hinein, so ändert der Brechungsindex der Kügelchen die optisch effektive Länge des Resonators und somit auch die Intensität des Lichtfelds.

Die Nanoteilchen beeinflussen also die Lichtumgebung, die ihrerseits wieder auf die Nanokügelchen Kräfte ausübt. Ein wichtiger Effekt ist, dass die Nanoteilchen immer zu den Maxima der Lichtintensität hingezogen werden. Man kann sich das so vorstellen, dass ein Teilchen immer bergab rollt und somit schneller wird, wenn es sich auf ein Maximum zubewegt. Umgekehrt wird es langsamer wenn es sich "bergauf" vom Intensitätsmaximum wegbewegt. Beim Laserkühlen ist das Experiment nun so arrangiert, dass die Teilchen sich beim Heraufrollen den Lichtberg selber erhöhen und beim Hinunterrollen selber verkleinern. Dadurch verlieren sie Bewegungsenergie. d.h. sie werden in der Bewegung "kalt".

Team Markus Aspelmeyer

In den beiden Forschungsgruppen der Universität Wien konnten nun erstmals Effekte dieser Art an Nanoteilchen demonstriert werden, die je aus mehr als einer Milliarde Atomen bestehen und etwa halb so groß sind wie die Wellenlänge des sichtbaren Lichts.

Nikolai Kiesel, Florian Blaser und Kollegen im Team Markus Aspelmeyer fangen dazu Nanokugeln aus Glas im Lichtfeld eines optischen Resonators unterstützt durch ein dünnes Hintergrundgas. Ein zweites Lichtfeld im optischen Resonator ermöglicht zusätzlich die Laserkühlung der levitierten Nanoteilchen. Die Wechselwirkung in dem optischen Resonator soll zukünftig auch zum Austausch von Quanteninformation zwischen dem Lichtfeld und den Nanoteilchen dienen. "Wir können dann die Methoden der Quantenoptik benutzen, um Quantenzustände der Bewegung unseres Teilchens zu erzeugen. Mit einzelnen Ionen wurde das bereits gemacht und durch die Laserkühlung sollte das auch bald mit unseren Nanoteilchen funktionieren. Dann kann man den Laser wieder ausschalten und zusehen, wie sich das große Quantenobjekt komplett ungestört entwickelt," freut sich Florian Blaser.

Team Markus Arndt

Peter Asenbaum, Stefan Kuhn und Kollegen im Team Markus Arndt kamen zu einem ähnlichen Resultat, jedoch mit freien Nanoteilchen aus Silizium. Diese konnten erstmals mit neuen Lasermethoden schon unter äußerst guten Vakuumbedingungen sehr langsam erzeugt werden, womit die Laserkühlung selbst beim einfachen Durchflug durch den Resonator effizient wird. "Der Trick ist", so Peter Asenbaum, "von vornherein langsame Teilchen zu erzeugen und dann nicht länger auf die speziellen internen Eigenschaften der Atome zu bauen, sondern die notwendigen Attribute auf das Lichtfeld zu übertragen, das mit den Nanoteilchen wechselwirkt." Darum konnte in diesem Experiment auch mit Silizium hantiert werden, was für infrarotes Laserlicht 1560 nm perfekt transparent ist und dennoch einen hohen Brechungsindex hat.

Neue Möglichkeiten für Quantenexperimente

In beiden Experimenten konnte die relevante Bewegungsenergie der Teilchen um rund eine Größenordnung durch die Wechselwirkung mit dem Licht reduziert werden. Das macht Hoffnung und zeigt den Weg zu experimentellen Erweiterungen, die noch deutlich tiefere Temperaturen erwarten lassen.

Sobald dies erreicht ist eröffnet sich eine Vielzahl neuer Möglichkeiten für Quantenexperimente und Anwendungen, die mit dieser neuen Art von Licht-Materie-Schnittstelle realisiert werden können. Viele Vorschläge dazu wurden von den Gruppen um die Innsbrucker Physiker Helmut Ritsch, Oriol Romero-Isart und Peter Zoller ausgearbeitet, ebenso von den Gruppen um die "ehemaligen Innsbrucker" Klemens Hammerer in Hannover und Ignacio Cirac in Garching.

Weltweit wächst derzeit die Zahl der Forschungsgruppen, die solche Systeme als sensitive Kraftsensoren sehen, als Modellsysteme für die Quantenthermodynamik oder – wie in Wien geplant – als ideale Quelle für zukünftige Materiewellen im Bereich ultrahoher Massen. Solche Testobjekte wären interessant für Experimente an der Grenze zwischen Quantenphysik und Gravitation, vielleicht in vielen Jahren auch stationiert auf einem Satelliten. Die ersten Schritte sind getan. (vs)

Die Publikation "Cavity cooling of free silicon nanoparticles in high vacuum" erschien am 6. November 2013 in "Nature Communicaitons". Die Publikation
"Cavity cooling of an optically levitated submicron particle" erschien am 27. August 2013 in "PNAS".