In zahlreichen Labors versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Quanteneigenschaften an immer größeren Gegenständen nachzuweisen. So arbeiten etwa Fachleute der Universitäten Wien und Innsbruck im Rahmen eines hochdotierten Förderpreises des Europäischen Forschungsrats (ERC) daran, das Prinzip der Delokalisierung bis an die äußerste Grenze zu treiben und einen größeren, aus Milliarden von Atomen bestehenden Festkörper – kleine schwebende Kügelchen – an zwei Orten gleichzeitig zu positionieren. Mit solchen optomechanischen Systemen hofft man, in Zukunft die Grenzen der Quantenwelt ausloten zu können.
Schwingung nahe am absoluten Nullpunkt
Ein anderes derartiges System basiert auf kleinen schwingenden Balken, sogenannten mikromechanischen Oszillatoren, die ähnlich wie ein Sprungbrett im Schwimmbad schwingen. Sie werden z.B. durch Laser- oder Mikrowellenpulse in Schwingung versetzt. So wie man eine Lichtwelle auch als Teilchen (Photon) beschreiben kann, kann auch eine solche mechanische Schwingung als Teilchen betrachtet werden, das man „Phonon“ nennt. Um an solch makroskopischen Objekten Quanteneffekte beobachten zu können, müssen diese jedenfalls mit speziellen Kühlmethoden bis knapp an den absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) gekühlt werden.
Im Versuchsaufbau der Physiker um Gerhard Kirchmair vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) wird ein rund 100 Mikrometer langer – also mit freiem Auge sichtbarer – schwingender Balken über ein magnetisches Feld an einen supraleitenden Schaltkreis gekoppelt. Vereinfacht gesagt, kann durch Änderung des Magnetfelds der Balken gekühlt werden.
Am quantenmechanischen Grundzustand
Weil das aufgrund der speziellen Anordnung ein nichtlinearer Prozess ist, könne das massive Objekt viel effizienter und deutlich stärker als bisher gekühlt werden. Der Balken schwingt dann kaum noch und befindet sich nahe am quantenmechanischen Grundzustand, wie die Fachleute vor Kurzem im Fachjournal „Physical Review Letters“ berichteten. Der Ansatz eröffnet ihnen zufolge die Möglichkeit zur effizienten Kühlung einer breiteren Palette von optomechanischen Systemen und damit neue Möglichkeiten für grundlegende Experimente und Anwendungen im Bereich Quantensensorik.
Das Experiment ist Teil des EU-geförderten Forschungsprojektes „SuperMeQ“, an dem Partner aus Göteborg, Wien, München, Karlsruhe und Barcelona beteiligt sind.