In den vergangenen Jahren ist es Forschern gelungen, winzige Objekte im Vakuum schweben zu lassen und hochgradig zu kontrollieren. Österreichische und Schweizer Forscher bescheinigen dieser "Levitodynamik" genannten Technologie in einem Übersichtsartikel im Fachjournal "Science" großes Potenzial. Die schwebenden Systeme böten einzigartige Möglichkeiten für Grundlagenforschung und Anwendung - vom Studium grundlegender Quanteneigenschaften bis zu kommerziellen Messgeräten.
Vor rund einem Jahrzehnt schafften es Forscher, die Bewegungsenergie eines schwebenden Nanoteilchens auf nahe dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) - und damit bis in den Quantengrundzustand - abzukühlen. Seither ist "die Kontrolle von schwebenden Nano- und Mikroobjekten im Hochvakuum zu einer weitverbreiteten Technik in der Wissenschaft geworden und hat enorm an Dynamik gewonnen", schreiben die Wissenschafter um Oriol Romero-Isart vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck in ihrer Publikation.
Einfluss von Oberflächen elimimiert
Mithilfe optischer, elektrischer und magnetischer Kräfte gelingt es den Forschern verschiedenste Objekte zu kontrollieren und ihre Bewegung mit hoher Präzision zu steuern und zu messen. Das Spektrum reicht dabei von einzelnen Atomen bzw. Ionen bis zu viel größeren Objekten bestehend aus Millionen Atomen wie magnetische und metallische Teilchen, Glaskügelchen, Diamanten mit gezielt eingebauten Defekten, Graphen, Flüssigkeitströpfchen oder supraflüssiges Helium.
"Bisher lagen solche Objekte bei der Untersuchung auf irgendeiner Oberfläche, und je kleiner sie sind, desto größer ist der Einfluss dieser Oberfläche auf sie", erklärte der Experimentalphysiker Markus Aspelmeyer von der Universität Wien und dem IQOQI in Wien gegenüber der APA. "Doch wenn sie schweben, sind sie völlig losgelöst von der Umgebung und ich kann sie unabhängig von irgendwelchen Wechselwirkungen untersuchen - das ist ein riesengroßer Vorteil."
Ein zweiter Vorteil sei die hohe Empfindlichkeit von schwebenden Objekten gegenüber äußeren Kräften. "Diese Sensitivität kann man nutzen, um sich auf die Suche nach sehr kleinen Kräften zu machen", so Aspelmeyer. Das gehe einerseits in Richtung Anwendung, etwa die Entwicklung von Sensoren zur Messung der Gravitation, von Druck, Trägheitskraft, elektrischen oder magnetischen Feldern.
Schwebezustand bringt neue Erkenntnisse
Andererseits kann man sie auch in der Grundlagenforschung und bei der Suche nach neuen physikalischen Phänomenen einsetzen. Aspelmeyer nennt etwa auf Levitodynamik basierende Experimente zur Suche nach Dunkler Materie, Romero-Isart die Untersuchung der makroskopischen Quantenverschränkung in bisher unerforschten Bereichen großer Massen. Schwebende Systeme seien aber auch ideale Prüfstände für die Materialwissenschaft, in denen Materie unter extremen Bedingungen etwa unter hoher innerer Spannung oder außerhalb des Gleichgewichts untersucht und sogar konstruiert werden können, schreiben die Wissenschafter in ihrer Arbeit.
Die optischen, elektrischen oder magnetischen Wechselwirkungen, mit denen die Objekte in Schwebe gehalten werden, ermöglichen es, "ihre internen Freiheitsgrade mit den gut kontrollierten externen Freiheitsgraden zu koppeln", betonen die Forscher. Erst indem man ein Objekt schweben lasse, bekomme man Zugang zu seinen internen Freiheitsgraden, etwa seine Vibrationen, seine Magnetisierung oder den Spin von Elektronen innerhalb des Objekts. Durch die Ausweitung der Kontrolle auf alle Freiheitsgrade eines schwebenden Teilchens können störendes Rauschen und Dekohärenz, also der Zusammenbruch von Quantenzuständen durch Umwelteinflüsse, reduziert werden. Oder einfach gesagt: "Durch das Schweben gehen auf einmal ganz viele Schubladen auf, dadurch habe ich viel mehr Möglichkeiten", so Aspelmeyer.
(Service: https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abg3027
(APA/red, Foto: APA/Klaus Pichler/ÖAW/WWW_kpic_at)
