Glas-Nanokugel, die durch einen eng fokussierten Laserstrahl zum Schweben gebracht wird. (ETH Zürich) Quantenmechanik befasst sich mit dem Verhalten des Universums im superkleinen Maßstab: Atome und subatomare Teilchen, die auf eine Weise funktionieren, die die klassische Physik nicht erklären kann. Um diese Spannung zwischen Quanten und Klassik zu erforschen, versuchen Wissenschaftler, immer größere Objekte dazu zu bringen, sich quantenähnlich zu verhalten.
Im Fall dieser speziellen Studie handelt es sich bei dem Objekt um eine winzige Glas-Nanokugel mit einem Durchmesser von 100 Nanometern – etwa tausendmal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Unserer Meinung nach ist das sehr, sehr klein, aber im Hinblick auf die Quantenphysik ist es tatsächlich ziemlich groß und besteht aus bis zu 10 Millionen Atomen.
Eine solche Nanosphäre in den Bereich der Quantenmechanik zu katapultieren, ist tatsächlich eine gewaltige Leistung, und doch ist es genau das, was Physikern jetzt gelungen ist.
Mithilfe sorgfältig kalibrierter Laserlichter wurde die Nanosphäre in ihrem niedrigsten quantenmechanischen Zustand suspendiert, einem Zustand mit äußerst begrenzter Bewegung, in dem Quantenverhalten auftreten kann.
„Dies ist das erste Mal, dass eine solche Methode verwendet wurde, um den Quantenzustand eines makroskopischen Objekts im freien Raum zu steuern“, sagt Lukas Novotny , Professor für Photonik an der ETH Zürich in der Schweiz.
Um Quantenzustände zu erreichen, müssen Bewegung und Energie völlig heruntergedreht werden. Novotny und seine Kollegen verwendeten einen auf -269 Grad Celsius (-452 Grad Fahrenheit) gekühlten Vakuumbehälter, bevor sie mithilfe eines Feedbacksystems weitere Anpassungen vornahmen.
Anhand der von zwei Laserstrahlen erzeugten Interferenzmuster berechneten die Forscher die genaue Position der Nanokugel in ihrer Kammer – und von dort aus die präzisen Anpassungen, die erforderlich waren, um die Bewegung des Objekts mithilfe des von zwei Elektroden erzeugten elektrischen Felds nahezu auf Null zu bringen.
Es ist nicht viel anders, als wenn man eine Spielplatzschaukel durch Schieben und Ziehen verlangsamt, bis sie zum Stillstand kommt. Sobald dieser niedrigste quantenmechanische Zustand erreicht ist, können weitere Experimente beginnen.
„Um Quanteneffekte deutlich zu erkennen, muss die Nanosphäre verlangsamt werden … bis hin zu ihrem Bewegungsgrundzustand.“ sagt Elektroingenieur Felix Tebbenjohanns , von der ETH Zürich.
„Das bedeutet, dass wir die Bewegungsenergie der Kugel auf ein Minimum einfrieren, das nahe an der quantenmechanischen Nullpunktbewegung liegt.“
Obwohl bereits zuvor ähnliche Ergebnisse erzielt wurden, verwendeten sie ein sogenanntes optischer Resonator Objekte mithilfe von Licht auszubalancieren.
Der hier verwendete Ansatz schützt die Nanosphäre besser vor Störungen und bedeutet, dass das Objekt nach dem Ausschalten des Lasers isoliert betrachtet werden kann – allerdings bedarf es noch zahlreicher weiterer Forschungen, um dies zu realisieren.
Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse unter anderem nützlich sein können, indem sie untersuchen, wie die Quantenmechanik dazu führt, dass sich Elementarteilchen wie Wellen verhalten. Es ist möglich, dass hochempfindliche Aufbauten wie diese Nanosphäre auch bei der Entwicklung von Sensoren der nächsten Generation helfen könnten, die über alles hinausgehen, was wir heute haben.
Es zu schaffen, eine solch große Kugel in einer kryogenen Umgebung schweben zu lassen, stellt einen bedeutenden Sprung in Richtung der makroskopischen Skala dar, wo die Grenze zwischen dem klassischen und dem Quantenmaßstab untersucht werden kann.
„Zusammen mit der Tatsache, dass das optische Einfangpotenzial gut kontrollierbar ist, bietet unsere experimentelle Plattform einen Weg zur Untersuchung der Quantenmechanik auf makroskopischen Skalen“, schließen die Forscher in ihrem Bericht veröffentlichtes Papier .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .