Quantenteilchen: gezogen und komprimiert

Erst kürzlich haben Forscher um Markus Aspelmeyer von der Universität Wien und Lukas Novotny von der ETH Zürich erstmals ein Glas-Nanopartikel im Quantenregime gekühlt. Dazu wird dem Teilchen mit Hilfe von Lasern seine kinetische Energie entzogen. Es bleiben die Bewegungen, sogenannte Quantenfluktuationen, die nicht mehr den Gesetzen der klassischen Physik, sondern denen der Quantenphysik folgen. Die Glaskugel, mit der diese hergestellt wurde, ist deutlich kleiner als ein Sandkorn, besteht aber dennoch aus mehreren hundert Millionen Atomen. Anders als die mikroskopische Welt der Photonen und Atome geben Nanopartikel Einblick in die Quantennatur makroskopischer Objekte. Gemeinsam mit dem Experimentalphysiker Markus Aspelmeyer bietet ein Team theoretischer Physiker um Oriol Romero-Isart von der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften nun eine Möglichkeit, die Quanteneigenschaften von Nanopartikeln zu nutzen für verschiedene Anwendungen.

„Während Atome im bewegten Grundzustand über Distanzen abprallen, die größer sind als die Größe des Atoms, ist die Bewegung makroskopischer Objekte im Grundzustand sehr, sehr gering“, erklären Talitha Weiss und Marc Roda-Llordes vom Innsbrucker Team. „Die Quantenfluktuationen von Nanopartikeln sind kleiner als der Durchmesser eines Atoms.“ Um die Quantennatur von Nanopartikeln zu nutzen, muss die Wellenfunktion der Partikel stark erweitert werden. Im Schema der Innsbrucker Quantenphysiker werden Nanopartikel in optischen Feldern gefangen und auf den Grundzustand abgekühlt. Durch die rhythmische Veränderung dieser Felder gelingt es Partikeln nun, sich über exponentiell größere Distanzen kurzzeitig zu delokalisieren. „Selbst kleinste Störungen können die Kohärenz von Teilchen zerstören, weshalb wir durch die Veränderung der optischen Potentiale die Wellenfunktion der Teilchen nur kurz zerlegen und dann gleich wieder komprimieren“, sagt Oriol Romero-Isart. Durch wiederholtes Wechseln des Potentials können so die Quanteneigenschaften des Nanopartikels ausgenutzt werden.

Mit der neuen Technik können die makroskopischen Quanteneigenschaften genauer untersucht werden. Es zeigt sich auch, dass dieser Zustand sehr empfindlich auf statische Kräfte reagiert. Somit könnte das Verfahren es ermöglichen, mit sehr empfindlichen Instrumenten Kräfte wie die Schwerkraft sehr genau zu bestimmen. Durch die gleichzeitige Expansion und Kompression zweier Teilchen mit dieser Methode wäre es auch möglich, diese über schwache Wechselwirkung zu verschränken und ganz neue Bereiche der makroskopischen Quantenwelt zu erkunden.

Das neue Konzept bildet zusammen mit anderen Vorschlägen die Grundlage des im vergangenen Jahr vergebenen Projekts ERC Synergy Grant Q-Xtreme. In diesem Projekt treiben die Forschungsgruppen von Markus Aspelmeyer und Oriol Romero-Isart sowie Lukas Novotny und Romain Quidant von der ETH Zürich eines der grundlegendsten Prinzipien der Quantenphysik auf die Spitze, indem sie einen Festkörper aus Milliarden von Atomen positionieren an zwei Orten gleichzeitig.

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