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Forschung auf der Suche nach dem Tiefpunkt - Laserkühlung unterbindet störende Vibrationen

23.12.2004 - (idw) Ludwig-Maximilians-Universität München

München, 23. Dezember 2004 - Gesucht wird eine Technologie, um das ultimative Quantenlimit an Sensitivität zur Messung von Kraft zu erreichen. Seit einiger Zeit bereits werden Laser genutzt, um Mikrohebel, die zur Kräftemessung eingesetzt werden, zu kühlen. Prof. Dr. Khaled Karrai und seine Mitarbeiterin Constanze Höhberger Metzger vom Department für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München beschreiben jetzt in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature (S. 1002-1005, 2004), wie sie dem Ziel, den absoluten Temperatur-Nullpunkt zu erreichen, näher gekommen sind. Die Wissenschaftler ließen einen Laserstrahl von einem vergoldeten, nur 460 Nanometer dicken Silikonhebel abprallen. So konnten die durch Wärme verursachten Vibrationen in dem freitragenden Hebel gedämpft werden. Der Hebel kühlte dadurch auf -255 Grad Celsius ab und lag nur mehr 18 Grad über dem absoluten Nullpunkt von -273 Grad Celsius. Diese Methode der Kühlung könnte Anwendungen finden, auch wenn sie für die Forscher nur ein erster Schritt ist. Offen ist derzeit, welche Tiefsttemperatur maximal erreicht werden kann. "Wir fragen uns, ob es möglich ist, den Mikrohebel fast bis zum absoluten Nullpunkt bei -273 Grad Celsius zu bringen", berichtet Karrai. "Diese rein mechanischen Systeme würden dann anfangen, sich quantenmechanisch zu verhalten." Die jetzt erreichbare Temperatur von -255 Grad Celsius ist noch zu hoch, um Quanteneffekte zu sehen. "Dies war aber nur unser erster Versuch", so Karrai. "Wir waren von unserem Erfolg positiv überrascht, vor allem weil wir noch sehr weit von optimalen Bedingungen zur Laserkühlung entfernt sind. Dies wollen wir jetzt verbessern. Wir arbeiten auch an neuen nanomechanischen Vorrichtungen, die dem Mikrohebel überlegen sein werden."

Diese Entdeckung steht in Einklang mit Errungenschaften der letzten Jahre. Laser können zunehmend besser genutzt werden, um die Temperatur einzelner Atome oder mehrerer Tausend Atome zu kühlen. Die Technik konnte bei festen Objekten angewandt werden, wobei es sich bei vorliegenden Experimenten nur um einen sehr kleinen freitragenden Hebel handelt. "Das ist nur ein erster Schritt", so Karrai. "Wir sind überzeugt, dass die Methode eingesetzt werden kann, um noch geringere Temperaturen zu erreichen." Temperaturbedingte Vibrationen sind die größte Störquelle bei nanomechanischen Systemen zur Kräftemessung. Die neue Methode, derartige Hebel zu kühlen, könnte den Weg zu neuen Entdeckungen, die eine höhere Sensitivität erfordern, ebnen. Ein mögliches Beispiel dafür wäre die Suche nach Gravitationswellen.

Laserlicht ist sehr energiereich. Diese Energie kann für eine kurze Zeit gespeichert werden. Gekoppelt mit einem mechanischen System, in diesem Fall der Mikrohebel, kann diesem Temperatur entzogen werden. Die Wärme, die ansonsten den Hebel vibrieren lässt, wird in Lichtintensität übertragen. Der Hebel kühlt dadurch ab. Der umgekehrte Vorgang, bei dem Lichtenergie in mechanische Energie umgewandelt und auf den Hebel übertragen wird, ist auch möglich. Dabei sehen die Forscher auch die erste mögliche Anwendung. Mechanische Energie, die in den Mikrohebel gepumpt wird, könnte bei diesem eine Dauervibration erreichen. Dies ist zwar jetzt schon mit Hilfe anderer Vorrichtungen möglich, die allerdings auf Nanoebene sehr schwer zu kontrollieren sind. In diesem Bereich könnte das neue System überlegen sein.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Khaled Karrai
Institut für Physik der LMU
Tel.: +49 89 2180 3725
Fax: +49 89 2180 3182
E-Mail: karrai@LMU.de

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