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Quantenphysik : Im Rhythmus der Quantentrommel

  • -Aktualisiert am

Quantentrommel: Durchmesser 15 Mikrometer, Dicke 100 Nanometer Bild: A. Sanders/NIST

Endlich Kontakt mit der Quantenwelt: Mithilfe von Mikrowellenstrahlung lässt sich ein winziger mechanischer Oszillator in seinen quantenmechanischen Grundzustand befördern. Das Prinzip ist der Laserkühlung von Atomen abgeschaut. Die Anwendungen der Quantentrommel sind vielfältig.

          4 Min.

          Zwei physikalische Revolutionen haben das zwanzigste Jahrhundert geprägt: Die Allgemeine Relativitätstheorie, die die Mechanik und Dynamik makroskopischer, massebehafteter Objekte beschreibt sowie die Quantentheorie, die die Eigenschaften der Kerne, Atome und Moleküle erklärt. Seit langem versuchen die Physiker, die Grenzen der Quantenwelt auszuloten. Wie groß darf ein Gegenstand sein, so fragen sie, damit er noch ein Quantenverhalten zeigt? Wissenschaftler vom National Institute of Standards and Technology und von der University of Colorado in Boulder ist es gelungen, ein makroskopisches Objekt, das aus mehr als einer Billion Atomen, besteht, so zu manipulieren, dass es den Regeln der Quantenphysik gehorcht. John Teufel und seine Kollegen haben einen mechanischen Oszillator mithilfe von Mikrowellen in seinen quantenmechanischen Grundzustand, das niedrigste mögliche Energieniveau, gebracht.

          Eine Membran wird zur Trommel

          Der experimentelle Aufbau, der auf einem Mikrochip Platz fand, bestand im Wesentlichen aus einem Schwingkreis mit einer Spule und einem Kondensator. Der Schwingkreis war so dimensioniert, dass er Mikrowellenstrahlung nur einer bestimmten Wellenlänge aufnehmen oder aussenden konnte. Der Kondensator setzte sich aus zwei dünnen Aluminium-Plättchen zusammen, von denen das untere fest mit dem Chip verbunden war, während das obere wie das Fell einer Trommel schwingen konnte. Diese Membran, die lediglich hundert Nanometer dick war und sich fünfzig Nanometer über dem Mikrochip befand, führte schnelle Schwingungen aus. Verursacht wurden die Oszillationen durch die in dem System vorhandene Wärmeenergie.

          Die Wissenschaftler um Teufel kühlten den Schwingkreis mit flüssigem Helium zunächst bis auf ein zwanzigtausendstel Grad oberhalb des absoluten Nullpunkts. Trotz der niedrigen Temperatur besaß die Membran des Kondensators noch so viel Wärmeenergie, dass sie weiter eine Oszillation ausführte, die sich nunmehr lediglich aus 30 elementaren Schwingungsanregungen, sogenannten Phononen, zusammensetzte. Um den Oszillator in den quantenmechanischen Grundzustand zu befördern, in dem im Mittel weniger als ein Phonon vorhanden ist, mussten ihn die Forscher weiter abkühlen, was mit herkömmlichen Verfahren jedoch nicht möglich war. Den rettenden Einfall holten sich Teufel und seine Kollegen aus der Atomphysik, wo man Atome oder Ionen bis auf tiefste Temperaturen kühlt, in dem man den Teilchen mit Laserstrahlen sukzessive Bewegungsenergie entzieht, bis sie fast stillstehen. Für ein Objekt mit etwa einer Billion Atomen, wie es der Oszillator der Forscher aus Colorado darstellte, war diese Technik allerdings bisher noch nicht erfolgreich verwendet worden.

          Schritt für Schritt zum Temperaturnullpunkt

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