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Physik Journal 15 (2016) Nr. 3
© 2016 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Systeme bis in das Quantenregime
auszudehnen
[7]
.
In den jüngsten Experimenten
ist die mechanische Membran
jeweils Teil eines Kondensators
in einem supraleitenden Mikro-
wellen-Schwingkreis (
Abb. 1
). Die
mechanische Bewegung modu-
liert die Resonanzfrequenz des
Schwingkreises
ω
c
, die in zwei der
Experimente bei 6 GHZ liegt
[5, 6]
.
Dadurch entstehen Seitenbänder
bei der mechanischen Frequenz
ω
m
,
die hier 4 bis 15 MHz beträgt. Im
Photonenbild sind die Seitenbänder
äquivalent zur Stokes- und Anti-
Stokes-Raman-Streuung in der
Atomphysik, bei der das einfallende
Strahlungsfeld durch Kopplung an
Bewegungszustände unelastisch
gestreut wird und dem System
Energie zu- oder abführt. Treibt
ein externes Mikrowellenfeld, das
um die mechanische Frequenz ne-
gativ verstimmt ist (
ω
c
–
ω
m
), den
Schwingkreis an, verstärkt dies die
Anti-Stokes-Raman-Streuung re-
sonant. Das Strahlungsfeld führt in
dem Fall mehr mechanische Ener-
gie ab, als der Stokes-Prozess zu-
führt. Dieser Vorgang ist äquivalent
zur Seitenband-Laserkühlung von
Ionen, die seit den 1970er-Jahren
bekannt ist.
Alle drei Experimente nutzen
diesen Effekt und zeigen – ausge-
hend von einer Umgebungstem-
peratur von 10 bis 30 mK bzw. von
einer thermischen Besetzungszahl
sierte Interferometer zur Beobach-
tung von Gravitationswellen noch
genauer zu machen
[2]
. Die mecha-
nischen Bewegungsgrößen sind im
Fall von Laserlicht Amplitude und
Phase. Experimentell entsteht ein
gequetschter Zustand durch nicht-
lineare optische Prozesse, bei denen
die Phase des Lichts intensitätsab-
hängig wird
[3]
. Formal entspricht
das der Kopplung zwischen Erzeu-
gungs- und Vernichtungsoperator
des Strahlungsfeldes.
Nun konnten drei Forscherteams
vom Caltech, von der Aalto Uni-
versity in Finnland und vom NIST
erstmals gequetschte Quanten-
zustände der Bewegung von mikro-
mechanischen Resonatoren erzeu-
gen
[4 – 6]
. Die Resonatoren sind
mechanisch schwingende Mem-
brane, die nur 100 Nanometer dick
sind und einen Durchmesser von
mehreren 10 Mikrometern haben.
Aus Sicht der Quantenphysik sind
das makroskopische Systeme, bei
denen etwa 10
12
Atome kollektiv
zur Bewegung des Schwerpunkts
beitragen. Durch Kopplung an
optische oder Mikrowellenfelder,
beispielsweise indem das mecha-
nische Element Teil eines Resona-
tors für das Strahlungsfeld wird,
lassen sich die mechanischen
Systeme mit etablierten Methoden
der Quanten- und Atomoptik ma-
nipulieren. Dadurch ist es in den
letzten zehn Jahren gelungen, die
Kontrolle über mikromechanische
Q
uantenphysiker sind bekannt
für kreative Namensgebung.
Ein wunderbares Beispiel ist das
„Quetschen“ von Quantenfluk-
tuationen, etwa bei Bewegungs-
größen wie Ort und Impuls. Der
Hintergrund ist folgender: Auch
nahe des absoluten Nullpunkts
kommt ein harmonischer Oszillator
nicht ganz zum Stillstand. Viel-
mehr dominiert die Nullpunkts-
energie
ħω/
2 die Bewegung,
sodass die Erwartungswerte von
Orts- und Impulsmessungen mit
einer Varianz Δ
x
=
√
________
ħ
/(2
m
.
ω
) und
Δ
p
=
√
________
ħ
.
m
.
ω/
2 fluktuieren. Das
Produkt Δ
x
. Δ
p
=
ħ/
2 erfüllt die
Heisenbergsche Unschärferelation
exakt – die Bewegungszustände
besitzen minimale Unschärfe. Soll
ein Oszillator als Sensor dienen,
bestimmen die Quantenfluktuatio-
nen die Messgenauigkeit. Außer es
gelingt, die Fluktuation einer der
beiden Größen unter die Unschärfe
der Nullpunktsfluktuation zu re-
duzieren, idealerweise zu beliebig
kleinen Werten. Da die Unschärfe-
relation nach wie vor gilt, kann das
nur auf Kosten der anderen Größe
geschehen – wie bei einem Luftbal-
lon, der beim Zusammendrücken in
der einen Richtung kleiner wird, in
der anderen größer. Dieser Vorgang
heißt Quetschen („Squeezing“).
Seinen modernen Ursprung hat
das Quetschen in der Quantenoptik
[1]
, wo es u. a. darum geht, laserba-
■
Quantenmechanik mit leichten Quetschungen
Drei Forschergruppen haben erstmals gequetschte Quantenzustände
von mikromechanischen Resonatoren erzeugt.
Abb. 1
Im Experiment werden die rot
und blau verstimmten Pumpfelder bei
Raumtemperatur herausgefiltert und bei
tiefen Temperaturen so abgeschwächt,
dass nur noch das Schrotrauschen eine
Rolle spielt. Der optomechanische
Schwingkreis ist thermisch mit einem
Mischkryostaten verbunden. Die Signale
werden verstärkt und mit einem Spek-
tral- oder Netzwerkanalysator gemessen.
Spektral-
analysator
Netzwerk-
analysator
Kryostat
aus [4]
Abb. 2
Lichtmikroskopische Aufnahme
des Schwingkreises (grau Aluminium,
blau Siliziumsubstrat. Der mikromecha-
nische Plattenkondensator in der Mitte
ist von einem Spiralinduktor und weite-
ren Kondensatoren umgeben.
50 μm