Lichtgekühlte Spiegel

Nicht nur Atome oder Moleküle, sondern auch Spiegel, die ein Gramm schwer sind, lassen sich mit Laserlicht kühlen. Das ist hilfreich bei der Beobachtung von Gravitationswellen und makroskopischen Quanteneffekten.

Mit Laserlicht lassen sich nicht nur einzelne Atome oder Moleküle auf extrem tiefe Temperaturen bringen. Auch mikroskopisch kleine Spiegel von einem zehntel Millimeter Größe hat man so schon auf einige Kelvin und darunter abgekühlt. Jetzt ist es Thomas Corbitt am MIT und seinen Kollegen gelungen, einen „makroskopischen“ Spiegel mit Licht auf 0,8 K zu kühlen, der die Größe eines Centstücks und eine Masse von einem Gramm hatte.

Der Spiegel war Teil eines 90 cm langen optischen Resonators und befand sich, an zwei Glasfasern aufgehängt, einem 250 Gramm schweren Spiegel gegenüber. Während der schwere Spiegel mit einer Frequenz von 1 Hz mechanisch schwingen konnte, betrug die Schwingungsfrequenz des kleinen Spiegels zunächst 172 Hz. Mit Laserlicht geeigneter Wellenlänge, das in den Resonator eingestrahlt wurde, konnten die Forscher die Schwingungen des kleinen Spiegels stark abdämpfen und zugleich die auf den Spiegel wirkenden Rückstellkräfte erheblich vergrößern.

Wurde in den Resonator Laserlicht mit einer Frequenz eingestrahlt, die gegen dessen Resonanzfrequenz blauverschoben war, so übte das Licht eine Rückstellkraft auf den kleinen Spiegel aus, die proportional zu seiner Auslenkung war. Auf diese Weise konnten die Forscher die „Aufhängung“ des Spiegels so starr machen, als hätte sie aus einem Material bestanden, das härter als Diamant war. Die Schwingungsfrequenz des Spiegels nahm daraufhin auf 5 kHz zu.

Das stark blauverschobene Laserlicht führte allerdings dazu, dass sich die mechanischen Schwingungen des Spiegels aufschaukelten. Um sie abzudämpfen, mischten die Forscher dem Laserstrahl etwas schwach rotverschobenes Laserlicht bei. Dieses Licht verringerte die auf den Spiegel wirkende Rückstellkraft nur unwesentlich. Zugleich dämpfte es die Spiegelschwingungen in Strahlrichtung so stark, dass die Temperatur des Spiegels (für diesen Freiheitsgrad) auf 0,8 K absank. Die anderen Freiheitsgrade des Spiegels wurden davon jedoch nicht beeinflusst und bleiben auf Zimmertemperatur.

Die hohe mechanische Schwingungsfrequenz und die tiefe Temperatur des vom Licht festgehaltenen und gekühlten Spiegels führten dazu, dass die Zahl der entsprechenden Schwingungsquanten oder Phononen stark reduziert war. Allerdings enthielten die Schwingungen des Spiegels immer noch einige hundert Phononen. Um an diesem makroskopischen Objekt Quanteneffekte beobachten (und damit die Gültigkeitsgrenzen der Quantenmechanik testen) zu können, müsste die Zahl der Phononen auf einige wenige reduziert werden. Dazu müsste man die „Aufhängung“ des Spiegels noch steifer und seine Temperatur noch niedriger machen. Die Leiterin der MIT-Arbeitsgruppe, Nergis Mavalvala, meinte allerdings, dass dazu noch „heroische“ Anstrengungen nötig seien.

Die extrem starre Aufhängung des Spiegels und seine Kühlung mit Licht sind auch für den Nachweis von Gravitationswellen von Interesse. Dabei wird die relative Längenänderung der beiden Arme eines Interferometers beim Durchgang einer Gravitationswelle gemessen. Da diese Änderung nur Bruchteile eines Atomkerndurchmessers beträgt, dürfen die Spiegel des Interferometers nur so wenig wie möglich schwingen. Das Verfahren, das die MIT-Forscher jetzt in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Albert Einstein Institut in Potsdam und Hannover und vom Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) entwickelt haben, könnte sich dabei als sehr nützlich erweisen.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Thomas Corbitt et al.: An All-Optical Trap for a Gram-Scale Mirror. Phys. Rev. Lett. 98, 150802 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.150802
• Homepage von Nergis Mavalvala am MIT:
  http://emvogil-3.mit.edu/~nergis/
  http://baikal.mit.edu/sqwiki/moin.cgi/Pictures
• Homepage von Yanbei Chen am AEI in Potsdam:
  http://www.aei.mpg.de/~yanbei/