Reiner Quantenzustand ohne Kühlaufwand

Drei Nano-Glask¨¹gelchen heften aneinander. Sie bilden einen Turm, wie wenn man drei Kugeln Eis aufeinanderschichtet ¨C nur deutlich kleiner: Der Durchmesser des Nano-Gebildes ist zehnmal kleiner als der eines menschlichen Haars. Forschenden der ETH Z¨¹rich ist es gelungen, mithilfe einer optischen Apparatur und Laserstrahlen solche Objekte beinahe komplett still in Schwebe zu halten. Das ist im Hinblick auf die k¨¹nftige Entwicklung von Quantensensoren bedeutend, die neben Quantencomputern zu den aussichtsreichsten Anwendungen der Quantenforschung z?hlen.

In ihrem Schwebe-Experiment konnten die Forschenden um Martin Frimmer, Titularprofessor f¨¹r Photonik, die auf die Glask¨¹gelchen wirkende Schwerkraft ausschalten. Dennoch zitterte das l?ngliche Nanoobjekt ?hnlich wie die Nadel eines sich einpendelnden Kompasses. Im Fall des Nano-Gebildes war es ein sehr schnelles, aber schwaches Zittern: Das Objekt machte etwa eine Million Mal pro Sekunde Auslenkungen von wenigen Tausendstel Grad. Bei dieser winzigen Drehschwingung handelt es sich um eine fundamentale quantenphysikalische Bewegung aller Objekte, die Physiker:innen als Nullpunktsfluktuation bezeichnen. ?Die Quantenmechanik sagt, dass kein K?rper jemals perfekt stillstehen kann?, erkl?rt Lorenzo Dania, Postdoc in Frimmers Gruppe und Erstautor der Studie. ?Je gr?sser ein K?rper ist, desto kleiner werden diese Nullpunktsfluktuationen und desto schwieriger ist es, sie zu beobachten.?

Mehrere Rekorde

Bislang ist es denn auch f¨¹r ein Objekt dieser Gr?sse noch niemandem gelungen, diese winzigen Bewegungen so genau zu erkennen, wie nun den ETH-Forschenden. Sie schafften dies, weil sie alle Bewegungen, die aus dem Bereich der klassischen Physik stammen und den Blick auf die Quantenbewegungen verdecken, weitestgehend ausschalten konnten. Die ETH-Forschenden ordnen die Bewegungen des Objekts in ihrem Experiment zu 92 Prozent der Quantenphysik und zu 8 Prozent der klassischen Physik zu und sprechen daher von hoher Quantenreinheit. ?Dass wir eine so hohe Quantenreinheit erreichen, h?tten wir im Voraus nicht erwartet?, sagt Dania.

Ein weiterer Rekord: Die Forschenden schafften dies alles bei Raumtemperatur. Normalerweise m¨¹ssen Quantenwissenschaftler ihre Objekte dazu mit speziellen Anlagen auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius k¨¹hlen. Das war hier nicht n?tig. Frimmer zieht eine Analogie: ?Wir haben ein neues Fahrzeug gebaut, das mehr Ladung transportiert als herk?mmliche Lastwagen und gleichzeitig weniger Benzin verbraucht.?

Winzig und zugleich riesig

W?hrend viele Wissenschaftler:innen Quanteneffekte bei einzelnen oder wenigen Atomen erforschen, geh?ren Frimmer und seine Gruppe zu jenen, die mit vergleichsweise grossen Objekten arbeiten. Ihr Nanokugel-Turm mag f¨¹r Alltagsverh?ltnisse winzig sein, er besteht aber aus mehreren hundert Millionen Atomen und ist daher f¨¹r Quantenphysiker riesig. Das Interesse an Objekten dieser Gr?sse hat unter anderem mit erhofften k¨¹nftigen Anwendungen der Quantentechnologie zu tun. Diese setzen voraus, dass sich auch gr?ssere Systeme quantenmechanisch kontrollieren lassen.

Den Forschenden ist es gelungen, ihr Nanoteilchen mit einer sogenannten optischen Pinzette in der Schwebe zu halten. Das Teilchen befindet sich dabei in einem transparenten Beh?lter im Vakuum. ?ber eine Linse wird polarisiertes Laserlicht an einem Punkt in diesem Beh?lter geb¨¹ndelt. In diesem Brennpunkt richtet sich das Teilchen am elektrischen Feld des polarisierten Lasers aus und bleibt so stabil.

?Ein perfekter Anfang?

?Was wir erreicht haben, ist ein perfekter Anfang, um damit weitere Forschung zu betreiben, die dereinst auch in Anwendungen m¨¹nden k?nnte?, sagt Frimmer. F¨¹r solche Anwendungen brauche man zuerst ein System mit hoher Quantenreinheit, in dem alle ?usseren St?rungen erfolgreich unterdr¨¹ckt und die Bewegungen wie erw¨¹nscht kontrolliert werden k?nnten. Das habe man jetzt geschafft. Anschliessend k?nne man sich daran machen, damit quantenmechanische Effekte aufzusp¨¹ren, diese zu messen und das System quantentechnologisch zu nutzen.

M?gliche Anwendungen liegen etwa in der physikalischen Grundlagenforschung, um die Zusammenh?nge von Schwerkraft und Quantenmechanik experimentell zu untersuchen. Denkbar ist auch die Entwicklung von Sensoren, um winzige Kr?fte zu messen, etwa die von Gasmolek¨¹len oder sogar von Elementarteilchen, die auf den Sensor einwirken. Das w?re bei der Suche nach Dunkler Materie hilfreich. ?Wir haben nun ein System, das relativ einfach und kosteng¨¹nstig ist und sich daf¨¹r eignet?, sagt Frimmer.

Anwendungen in Navigation und Medizin

In ferner Zukunft k?nnten Quantensensoren auch in der medizinischen Bildgebung zum Einsatz kommen. Man erhofft sich von ihnen, dass sie schwache Signale gut erkennen k?nnen in einer Umgebung, in der Messger?te sonst vor allem Hintergrundrauschen empfangen. Eine weitere Anwendungsm?glichkeit w?ren Bewegungssensoren. Sie k?nnten die Fahrzeugnavigation erm?glichen, auch wenn kein Kontakt zu einem GPS-Satelliten vorhanden ist.

F¨¹r die meisten dieser Anwendungen m¨¹sste das Quantensystem miniaturisiert werden. Das sei prinzipiell m?glich, sagen die ETH-Forschenden. Immerhin haben sie schon einmal einen Weg gefunden, den erw¨¹nschten, kontrollierbaren Quantenzustand ohne aufwendige, teure und energieintensive K¨¹hlung zu erreichen.

Die ETH-Forschenden f¨¹hrten diese Arbeit gemeinsam mit Kollegen der Technischen Universit?t Wien, der Universit?t Manchester und des Institut de Ci¨¨ncies Fot¨°niques in Barcelona durch.