01.12.2011

Universität Basel

Ultrakalte Atome an Nano-Membran gekoppelt

Winzige mechanische Oszillatoren sind interessante Objekte, um die Grenze zwischen klassischer und Quantenphysik auszuloten. Forschern der Universität Basel ist es gelungen, eine nur 50 Nanometer dicke Membran und ultrakalte Atome aneinander zu koppeln. Ausserdem konnten sie die Eigenschaften der Membran untersuchen und zeigen, was ihre mechanische Güte begrenzt. Die Ergebnisse sind in den «Physical Review Letters» und «Applied Physics Letters» publiziert.

Licht kann Kräfte auf Materie ausüben: Zum Beispiel entsteht der Schweif eines Kometen unter anderem dadurch, dass das Sonnenlicht Teilchen aus dem Kometen herausreisst. Hierbei spricht man von Strahlungsdruck. Im Labor wird der Strahlungsdruck von Laserlicht dazu verwendet, um in einer Vakuumkammer Wolken von Atomen auf wenige millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abzukühlen. Bei diesen Temperaturen gehorchen die Atome den Gesetzen der Quantenphysik. Derzeit arbeiten zahlreiche Forschergruppen weltweit daran, diese Laserkühlung auch auf makroskopische Objekte wie mechanische Oszillatoren anzuwenden, um sie ebenfalls im Quantenregime untersuchen zu können.

Gefangen in der Lichtwelle
Einem Forschungsteam um den Physiker Prof. Dr. Philipp Treutlein vom Departement Physik der Universität Basel ist es nun gelungen, einen Membranoszillator mit Hilfe von Laserlicht an eine Wolke von ultrakalten Atomen zu koppeln. Der Membranoszillator besteht aus einer nur 50 Nanometer dünnen Folie aus Siliziumnitrid, die in einem Siliziumrahmen eingespannt ist und wie ein Trommelfell schwingen kann. Ein von der Membran reflektierter Laserstrahl erzeugt eine stehende Lichtwelle, in der die Atome durch Lichtkräfte gefangen werden. «Schwingt die Membran, so bewegt sich die stehende Lichtwelle, in der die Atome gefangen sind. Das führt zu einer Kopplung der Membranschwingung an die Bewegung der Atome», erklärt Maria Korppi, die als Doktorandin am Experiment arbeitet. Die Bewegung der Atome in der Lichtwelle führt wiederum zu einer Modulation des Strahlungsdrucks auf die Membran. «Diese Rückwirkung der Atome auf die Membran konnten wir in unserem Experiment erstmals beobachten», so Korppi.

Mit solchen gekoppelten Systemen aus ultrakalten Atomen und nanomechanischen Membranen möchte man in Zukunft die Grenzen der Quantenphysik ausloten und neue Anwendungen in der Quantentechnologie erschliessen. «Unser Experiment ist ein erster Schritt in diese Richtung, da wir erstmals einen mechanischen Oszillator mit Hilfe von ultrakalten Atomen manipulieren konnten», erläutert Philipp Treutlein. Die Experimente wurden gemeinsam mit Kollegen von der LMU München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik durchgeführt.

Mechanischen Eigenschaften unter der Lupe
In einer zweiten Arbeit haben die Basler Forscher die mechanischen Eigenschaften der Nanomembran genauer unter die Lupe genommen. «Die Membran besitzt eine ungewöhnlich hohe mechanische Güte von über einer Million – das bedeutet, sie kann mehr als eine Million mal hin und her schwingen, bevor sie merklich gedämpft wird», so der Doktorand Andreas Jöckel. Zum Vergleich: Die Saiten eines Konzertflügels haben eine mechanische Güte von nur einigen Tausend. Eine hohe mechanische Güte ist aber sowohl Voraussetzung für die Verwendung der Membranen in Präzisionsmessungen als auch für die Beobachtung quantenmechanischer Effekte.

Was begrenzt die mechanische Güte der Membranoszillatoren? Zu dieser Frage, die Forscher in aller Welt schon seit einiger Zeit untersuchen, konnten die Basler Physiker nun einen wichtigen Teil der Antwort liefern. Sie konnten zeigen, dass in vielen Fällen die Kopplung der Membranschwingung an den Rahmen, in dem die Membran eingespannt ist, zu einer Begrenzung der mechanischen Güte führt. Was beim Klavier erwünscht ist, da erst durch die Kopplung der Saitenschwingung an das Gehäuse ein voller Klang entsteht, sollte man bei den Experimenten mit den Membranen der Nanophysik also unbedingt vermeiden.

Die Ergebnisse der Forscher wurden jetzt in den Fachzeitschriften «Physical Review Letters» und «Applied Physics Letters» publiziert. Die Arbeiten wurden vom Swiss Nanoscience Institute, dem NCCR Quantum Science and Technology, dem EU-Netzwerk AQUTE und der Nanosystems Initiative Munich unterstützt.

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