Schon seit Jahren können Forscher und Forscherinnen die Bewegungsenergie von relativ kleinen Objekten auf nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) – und damit bis in den Quantengrundzustand – abkühlen. Erst seit kurzem ist das auch für schwebende Nanoteilchen möglich. Diese Kontrolle von schwebenden Nano- und Mikroobjekten im Hochvakuum ist seither zu einer weitverbreiteten Technik in der Wissenschaft geworden und hat enorm an Dynamik gewonnen.
Vorteil dieser „Levitodynamik“ genannten Technologie ist die hohe Empfindlichkeit von schwebenden Objekten gegenüber äußeren Kräften. Völlig losgelöst von der Umgebung können sie so unabhängig von irgendwelchen Wechselwirkungen genutzt bzw. untersucht werden. So kann man damit etwa sehr kleine Kräfte nachweisen. Das ist nicht nur für die Entwicklung von Sensoren interessant, sondern auch in der Grundlagenforschung und bei der Suche nach neuen physikalischen Phänomenen.
Präzise Position
Erforderlich für solche Anwendungen ist eine sehr präzise Positionsmessung der Nanoteilchen. Dies erfolgt üblicherweise mittels optischer Interferometrie, bei der das von einem Nanoteilchen gestreute Licht mit dem Licht eines Referenzlasers überlagert wird. Doch der Unterschied in der Form der Lichtwellen, die vom Laser und dem Nanoteilchen stammen, beschränkt die Messgenauigkeit bisher.
Ein Team um Tracy Northup vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat nun eine neue Methode entwickelt, mit der die Position eines schwebenden Nanoteilchens effizienter bestimmt werden kann. Präsentiert wird der Ansatz nun im Fachjournal „Physical Review Letters“. Dabei wird das Laserlicht durch das von einem Spiegel reflektierte Licht des Teilchens ersetzt, es wird also nur Licht des Nanoteilchens zur Überlagerung gebracht.
Mit einem in einer elektromagnetischen Falle schwebenden Nanoteilchen konnten die Innsbrucker Physiker nun zeigen, dass diese Methode andere, dem Stand der Technik entsprechende Nachweisverfahren übertrifft. Sie konnten dadurch ein Teilchen auf Temperaturen abkühlen, die unter jenen liegen, die im gleichen Aufbau mit einer Standardpositionsmessung erreicht werden.