08.04.2022

Spiegelkabinett als Sensorplattform

Nanoteilchen in optischen Resonatoren taugen als Quantensensoren.

Fortschritte in der Quantenphysik bieten neue Möglichkeiten, um die Präzision von Sensoren deutlich zu verbessern, und könnten so neue Techno­logien ermöglichen. Ein Team um Oriol Romero-Isart vom Institut für Quantenoptik und Quanten­information der Österreichischen Akademie der Wissen­schaften und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck sowie ein Team unter der Leitung von Romain Quidant an der ETH Zürich präsentieren nun ein neues Konzept für einen hochpräzisen Quantensensor. Die Forscher schlagen vor, dass die Bewegungs­fluktuationen eines in einem mikro­skopisch-kleinen optischen Resonator gefangenen Nano­teilchens durch Ausnutzung der schnellen instabilen Dynamik des Systems deutlich unter die Bewegungs­fluktuationen des Grundzustandes reduziert werden könnten.

Abb.: Zwischen Spiegeln einge­schlossene Nano­teilchen könnten eine...
Abb.: Zwischen Spiegeln einge­schlossene Nano­teilchen könnten eine vielver­sprechende Plattform für Quanten­sensoren sein. (Bild: IQOQI)

In der Quantenmechanik lassen sich die Bewegungs­fluktuationen durch „Quetschen“ unter jene des Grundzustands reduzieren. In der Vergan­genheit wurde dieser Prozess mit mikro­mechanischen Resonatoren im Quantenbereich experi­mentell realisiert. Die Wissen­schaftler schlagen nun einen neuen Ansatz vor, der speziell auf schwebende mechanische Systeme zugeschnitten ist. „Wir zeigen, dass ein richtig konstruierter optischer Resonator dazu verwendet werden kann, die Bewegung eines schwebenden Nano­partikels schnell und stark zu quetschen“, sagt Katja Kustura aus dem Team von Oriol Romero-Isart.

In einem optischen Resonator sind Spiegeln so angeordnet, dass das Licht möglichst reflektiert wird und mit dem schwebenden Nanopartikel in Wechsel­wirkung tritt. Dies kann zu dynamischen Instabilitäten führen, die oft als unerwünscht angesehen werden. Die Forscher zeigen nun, wie diese Insta­bilitäten auch als Ressource genutzt werden können. „In der aktuellen Arbeit können wir zeigen, wie die daraus resul­tierende instabile Dynamik eines mechanischen Oszillators in einem optischen Resonator zu mechanischem Quetschen führt, wenn diese Insta­bilitäten richtig kontrolliert werden”, sagt Kustura. Das neue Protokoll ist robust gegenüber Verlusten, was es besonders für die Optomechanik schwebender Systeme geeignet macht.

Die Forscher demonstrierten ihr Konzept am Beispiel eines Silizium­dioxid-Nanoteilchens, das über kohärente Streuung an einen Mikroresonator gekoppelt ist. „Dabei zeigt sich, dass wir das Teilchen um Größen­ordnungen unterhalb der Grundzustandsfluktuationen quetschen können, selbst wenn wir von einem thermischen Zustand ausgehen“, sagt Oriol Romero-Isart. Mit dem neuen Ansatz könnten optische Resonatoren genutzt werden, um schwebende Teilchen auf mechanischem Weg in den Quanten­grundzustand zu versetzen. Solche Mikro­resonatoren bieten somit eine neue, interessant Plattform für den Bau von Quantensensoren. Diese könnten nicht nur in selbst­fahrenden Autos, sondern zum Beispiel auch bei Satelliten­missionen und in der Seismik zum Einsatz kommen. Die Forschungen in Innsbruck und Zürich wurden von der Europäischen Union finanziell unterstützt.

U. Innsbruck / JOL

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