29.04.2020

Optomechanische Kopplung eines Nanoröhrchens

Neues System nutzt Ladungsquantisierung für eine Verstärkung.

Physikern der Universität Regensburg ist es gelungen, die Bewegung einer Kohlenstoff-Nano­röhre an einen Mikrowellenresonator zu koppeln – in einem neuartigen, minia­turisierten opto­mechanischen System. Dabei nützt die Arbeitsgruppe von Andreas K. Hüttel die Ladungs­quantisierung als Verstärkereffekt aus. Die Ergebnisse weisen einen vielver­sprechenden neuen Weg auf, wie man verschiedenste Quanten­technologien auf einem Chip kombinieren kann.

Abb.: Die Schwingungen einer Kohlen­stoff-Nano­röhre (CNT) lassen sich an...
Abb.: Die Schwingungen einer Kohlen­stoff-Nano­röhre (CNT) lassen sich an ein Mikrowellen­feld koppeln. (Bild: A. Hüttel)

Die Schwingungen eines Makro­moleküls wie einer Kohlenstoff-Nanoröhre an ein Mikro­wellenfeld zu koppeln, ist normalerweise schwierig weil typische elektro­magnetische Wellenlängen, die für Experimente in der Quanteninformations­verarbeitung verwendet werden, im Millimeter­bereich liegen. Ein typisches Nanoröhren-Bauelement als mechanischer Resonator oder als Falle für einzelne Elektronen, ist jedoch weniger als einen Mikrometer lang mit zugleich mechanischen Auslenkungen im Nanometer­bereich. Diese weit unter­schiedlichen Größenordnungen führen dazu, daß die Nanoröhre das elektro­magnetische Feld kaum beeinflußt; die Kopplung, die hier erwartet wird, ist minimal.

Eine kontrollierte, opto­mechanische Kopplung einer Nanoröhre, ohne sie dabei zu großen, unkon­trollierten Schwingungs­amplituden anzuregen, ist dennoch aus vielerlei Gründen interessant. Eine Kohlenstoff-Nanoröhre ist ein fast perfekter Saiten­resonator, der mechanische Energie lange speichern kann. Ihre Schwingungen könnten dazu verwendet werden, Information zwischen unterschiedlichen Quanten­systemen zu transferieren und zu übersetzen. Und sowohl einzelne Elektronen im Festkörper als auch supraleitende Mikrowellen­schaltkreise zählen zu den weltweit favo­risierten Quantencomputer-Archi­tekturen.

Das Regensburger Experiment zeigt, daß die Wechsel­wirkung zwischen mechanischer Schwingung und elektromagnetischem Feld um einen Faktor 10.000 verstärkt werden kann. Dazu wird die Quantenkapazität verwendet: Elektrischer Strom wird durch einzelne Elektronen getragen. Dabei wird ein sehr kleiner Kondensator – wie eine Nanoröhre – nicht konti­nuierlich, sondern in Stufen aufgeladen. Durch die richtige Wahl der Versuchsparameter kann die opto­mechanische Kopplung kontrolliert und schnell geschaltet werden. „Wir haben jetzt ein dispersiv gekoppeltes opto­mechanisches System – neuartig und spannend durch die Einzelelektroneneffekte, aber andererseits auch gut erforscht, da weltweit sehr viele theoretische und experimentelle Arbeiten zu größeren opto­mechanischen Systemen existieren“, sagt Hüttel. „Die Kopplung kann zum Dämpfen der Schwingung verwendet werden, zu hoch­empfindlicher Bewegungs­detektion, zum Verstärken von kleinen Signalen, oder sogar zur Synthese beliebiger Quanten­zustände. Unsere Messungen zeigen, daß die quanten­mechanische Kontrolle der Nanoröhren-Schwingung in absehbarer Zukunft erreichbar ist. Damit werden Kohlenstoff-Nanoröhren als Schalt­zentrale interessant, die die Kombination verschiedenster Quanteneffekte ermöglicht.“

U. Regensburg / JOL

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