Start Sport Sie schaffen es, die Zeit mit einer 100-Nanometer-Kugel anzuhalten

Sie schaffen es, die Zeit mit einer 100-Nanometer-Kugel anzuhalten

20.07.2021 um 08:00 MESZ

Wir kommen der besseren Beobachtung von Quantenprozessen auf der Skala makroskopischer Objekte immer näher, die anderen physikalischen Gesetzen unterliegen als die von Elementarteilchen.

Makroskopische Quantenphänomene faszinieren Physiker, da die Eigenschaften der Natur auf der Skala von Atomen und subatomaren Teilchen bekannt sind. Sie gehören zu den relevantesten Phänomenen in der Physik.

Auf atomarer Skala und bei subatomaren Teilchen herrschen Quanteneffekte vor: Sie zeigen, dass auf diesen Realitätsebenen Materie und Energie aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus verwechselt werden. Sie nehmen seltsame Verhaltensweisen an, die der klassischen Physik entgehen.

Diese Quanteneffekte werden nur bei Elektronen und anderen kleineren physikalischen Komponenten beobachtet. Im Labor lassen sich jedoch Bedingungen schaffen, um Quanteneffekte in makroskopischen Objekten zu erzielen: Meistens wurde dies mit Wolken aus Millionen von Atomen erreicht.

Bisher konnten makroskopische Quantenphänomene in der Suprafluidität (entdeckt 1937) oder in der Supraleitung (entdeckt 1911) und auch in den topologischen Zuständen der Materie erfasst werden.

Neue Meilensteine

Neue MeilensteineIn diesem Jahr wurde auch eine Quantenverschränkung erreicht, die es zwei entfernten Elementarteilchen ermöglicht, einen gemeinsamen Quantenzustand zu teilen, in schwingenden Trommeln aus zwei Aluminiummembranen von etwa 10 Mikrometern Länge (ein Mikrometer entspricht einem Tausendstel Millimeter).

Forschenden der Eidgenössischen Polytechnischen Schule Zürich (ETH Zürich) ist nun ein weiterer Meilenstein im Wettlauf um die Funktionsweise von Quantenprozessen im makroskopischen Maßstab gelungen: Sie führten eine Glaskugel an die Quantengrenze und beobachteten die Quantenphänomene im Inneren.

Die Kugel maß einhundert Nanometer und ist damit tausendmal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Es ist klein für unsere Wahrnehmung, aber riesig für die elementaren physikalischen Ebenen, weil es aus 10 Millionen Atomen besteht.

Verwandtes Thema: Skalierung von Quanteneffekten auf beispiellose makroskopische Ebenen

Optische Falle

Optische FalleDie Kugel wurde in einer optischen Falle levitiert und von einem Laser in der Luft aufgehängt. Die optische Falle befand sich in einem Vakuumgefäß und wurde auf minus 269 °C gekühlt.

Um den Quantenzustand zu erreichen, musste sein Energieniveau weiter reduziert werden, was die Forscher mit einem zweiten Laser erreichten, der es ihnen ermöglichte, seine Schwingungsgeschwindigkeit auf den Grundzustand zu verlangsamen.

Das Ergebnis kann mit dem Schwanken einer Schaukel verglichen werden, die wir auf einen Zustand scheinbarer Stille reduzieren, als ob wir die Zeit für einen Moment anhalten würden, genug, um die Quantenphänomene zu beobachten, die mit dem Schwanken eines makroskopischen Objekts verbunden sind.

Die Schwingungen der Kugel und damit ihre Bewegungsenergie wurden auf das Quantenlimit reduziert: den Punkt, an dem das Unsicherheitsverhältnis der Quantenmechanik eine weitere Reduktion verhindert, betonen die Autoren dieser Forschung.

„Dies ist das erste Mal, dass mit einer solchen Methode der Quantenzustand eines makroskopischen Objekts im freien Raum überwacht wird“, erklärt Erstautor und Photonik-Professor Lukas Novotny in einer Stellungnahme.

Wichtige Vorteile

Wichtige VorteileMit Kugeln in optischen Resonatoren seien zwar ähnliche Ergebnisse erzielt worden, doch dieser Ansatz habe wichtige Vorteile: Er sei weniger störanfällig und durch Abschalten des Laserlichts könne die Kugel bei Bedarf komplett isoliert untersucht werden, so die Forscher.

Die gewonnenen Ergebnisse werden dazu beitragen, die Quantenmechanik besser zu verstehen, sie noch näher an die makroskopische Größe heranzuführen und so die Entwicklung neuer Technologien zu ermöglichen.

Die Forscher hoffen, dass ihre Arbeit nützlich sein könnte, um besser zu untersuchen, wie sich Elementarteilchen durch die Quantenmechanik wie Wellen verhalten.

Dies ermöglicht auch die Entwicklung von Sensoren der neuen Generation, die ausgefeilter sind als die aktuellen.

Referenz

ReferenzQuantenkontrolle eines optisch im kryogenen Freiraum schwebenden Nanopartikels. Felix Tebbenjohanns et al. Nature Band 595, Seiten 378–382 (2021). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-021-03617-w

Bild oben: Gerd Altmann auf Pixabay.

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