25.01.2023

Nichtlineare Kühlung für massive Objekte

Neuer Mechanismus für die Suche nach Quanteneigenschaften makroskopischer Proben.

Mit opto­mechanischen Experimenten versucht die Wissenschaft, die Grenzen der Quantenwelt auszuloten und eine Grundlage für die Entwicklung hoch­empfindlicher Quanten­sensoren zu schaffen. Dabei werden mit freiem Auge sichtbare Objekte über elektro­magnetische Felder an supraleitende Schaltkreise gekoppelt. Damit Supraleiter richtig funktionieren, finden solche Experimente in Kryo­staten bei einer Temperatur von rund einhundert Millikelvin statt. Doch dies reicht noch bei weitem nicht aus, um wirklich in die Quantenwelt abzutauchen.

Abb.: Supraleitender Schaltkreis auf einem Silizium­substrat, der in einem...
Abb.: Supraleitender Schaltkreis auf einem Silizium­substrat, der in einem Kupferhalter befestigt ist. (Bild: IQOQI Innsbruck)

Um an makroskopischen Objekten Quanteneffekte beobachten zu können, müssen diese mit speziellen Kühlmethoden bis knapp an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Physiker um Gerhard Kirchmair vom Institut für Experimental­physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanten­information (IQOQI) haben nun einen nichtlinearen Kühl­mechanismus demonstriert, mit dem auch massive Objekte gut abgekühlt werden können. 

Die Innsbrucker Wissen­schaftler koppeln im Experiment das mechanische Objekt – in ihrem Fall ein schwingender Balken – über ein magne­tisches Feld an den supraleitenden Schaltkreis. Dazu haben sie an den rund einhundert Mikrometer langen Balken einen Magneten angebracht. Bewegt sich dieser, ändert das den magnetischen Fluss durch den Schaltkreis, dessen Herzstück ein SQUID, ein supraleitendes Quanteninterferometer, ist. Dessen Resonanz­frequenz ändert sich abhängig vom magnetischen Fluss, was mit Hilfe von Mikrowellen­signalen gemessen wird. Auf diesem Weg kann der mikro­mechanische Oszillator bis nahe an den quanten­mechanischen Grundzustand gekühlt werden.

David Zöpfl aus dem Team um Gerhard Kirchmair: „Die Änderung der Resonanz­frequenz des SQUID-Schaltkreises in Abhängigkeit der Mikrowellen­leistung ist nicht linear. Dadurch können wir bei gleicher Leistung das massive Objekt um den Faktor Zehn stärker kühlen.“ Diese neue, einfache Methode ist vor allem für die Kühlung von massiveren mechanischen Objekten besonders interessant. Sie könnte die Grundlage für die Suche nach den Quanten­eigenschaften von größeren makro­skopischen Objekten sein, sind Zöpfl und Kirchmair überzeugt. 

U. Innsbruck / JOL

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