Nanoteilchen in zwei Bewegungsrichtungen in den Quanten-Grundzustand gekühlt

In einem Hochvakuum mit Laserlicht kontrol­lierte Nanoteilchen gelten als vielver­sprechende Plattform, um die Grenzen der Quantenwelt auszuloten. Denn seit der Formulierung der Quanten­theorie ist die Frage unbeantwortet geblieben, ab welcher Größe ein Objekt den Gesetzen der Quantenphysik und nicht den Regeln der klassischen Physik unterliegt. Ein inter­nationales Team versucht im Rahmen des ERC-Synergy-Projekts QXtreme genau diese Frage zu beantworten. Ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu diesem Ziel ist es, die in der Bewegung des Nanoteilchen gespeicherte Energie so weit als möglich zu reduzieren, das Teilchen also in den Quanten­grund­zustand abzukühlen.

Das Q-Xtreme-Team arbeitet seit längerem gemeinsam an der Grund­zustands­abkühlung von Nano­partikeln. Mehrere Experimente in Zürich und Wien, unterstützt durch theoretische Berechnungen an der Universität und dem Institut für Quantenoptik und Quanten­information Innsbruck haben zu den ersten Demon­stra­tionen einer solchen Grund­zustands­kühlung eines Nano­teilchens geführt, entweder durch Dämpfung der Teilchen­bewegung mittels elektro­nischer Steuerung (aktive Rückkopplung) oder durch Platzierung des Teilchens zwischen zwei Spiegeln (resonator­basierte Kühlung). Bei all diesen Experimenten wurde der Grundzustand nur entlang einer der drei Bewegungs­richtungen der Teilchen erreicht, so dass die Bewegung entlang der beiden anderen Richtungen „heiß“ blieb.

„Die Abkühlung in den Grundzustand in mehr als einer Richtung ist der Schlüssel zur Erforschung neuer Quantenphysik“, betont Carlos Gonzalez-Ballestero vom Institut für Quantenoptik und Quanten­information. „Bislang war es jedoch schwierig, die Spiegel, zwischen denen das Teilchen positioniert wird, effizient mit der Bewegung des Teilchens in mehreren Richtungen in Wechsel­wirkung zu bringen.“ Der „Dark State Effect“ verhindert die Abkühlung in den voll­ständigen Grundzustand.

Nun gelang es dem Photonik-Labor an der ETH Zürich erstmals, die Grund­zustands­kühlung eines Nano­teilchen entlang zweier Bewegungs­achsen zu erreichen. Dabei wird ein Glaskügelchen, das etwa tausendmal kleiner als ein Sandkorn ist, im Hochvakuum vollständig von seiner Umgebung isoliert, mit einem stark fokus­sierten Laserstrahl in der Schwebe gehalten und gleich­zeitig bis nahe an dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Basierend auf theoretischen Vorarbeiten des Teams in Innsbruck konnten die ETH-Physiker das Problem des Dunkel­zustands umgehen.

„Wir haben dazu die Frequenzen, mit denen das Teilchen in den beiden Richtungen schwingt, unter­schied­lich gestaltet und die Polarisation des Laserlichts sorgfältig eingestellt“, sagt Lukas Novotny von der ETH Zürich. Die Arbeit des Teams demonstriert, dass es möglich ist, den minimalen Energie­zustand für alle drei Bewegungs­richtungen zu erreichen. Das neue Setup ermöglicht es auch, fragile Quanten­zustände in zwei Richtungen zu erzeugen, die zum Beispiel zur Herstellung von extrem empfind­lichen Gyroskopen und Sensoren verwendet werden könnten.

U. Innsbruck / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Piotrowski et al.: Simultaneous ground-state cooling of two mechanical modes of a levitated nanoparticle, Nat. Physics, online 6. März 2023; DOI: 10.1038/s41567-023-01956-1
• Quantum Nanophysics, Optics and Information, Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Innsbruck, Österreich
• Institut für theoretische Physik, Universität Innsbruck, Österreich
• Photonics Laboratory, Dept. Informationstechnologie und Elektrotechnik, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Schweiz