Erste optische Levitation im Vakuum ermöglicht neue Quantenzustände. Schwebend wie von Geisterhand: Forscher haben erstmals einen winzigen Nanodiamanten im Vakuum schweben lassen – gehalten nur die die Kraft eines Laserstrahls. Weil im Vakuum keine störenden Gase vorhanden sind, reagiert der levitierte Winzling schon auf winzigste Kräfte. Wie die Forscher im Fachmagazin "Nature Photonics" berichten, können solche schwebenden Nanodiamanten daher als Nano-Oszillatoren und sogar eine makroskopische Schrödingers Katze erzeugen.
Um ein Objekte zum Schweben zu bringen, kann man verschiedene Techniken nutzen. Bei der akustischen Levitation halten beispielsweise Schallwellen kleine Kügelchen oder Tropfen in der Luft. Supraleitende Materialien schweben dagegen auf einem Magnetfeld wie auf einem unsichtbaren Polster.
Von Photonen gehalten
Aber auch Licht kann der Schwerkraft entgegenwirken und kleine Objekte zum Schweben zu bringen. Die winzigen Kräfte, die die Photonen eines Laserstrahls auf ein reflektierendes Material ausüben, reichen aus, um zumindest wenige Mikrometer kleine Tröpfchen oder Kristalle in der Luft zu halten. Solange dies allerdings in Luft oder anderen Gasen stattfindet, sorgen Stöße der Gasmoleküle für Störungen, die die Kontrolle der schwebenden Objekte erschweren.
Levi Neukirch von der University of Rochester und seinen Kollegen haben dieses Problem nun gelöst, indem sie erstmals einen Nanodiamanten im Vakuum schweben ließen. Ein Laser der Wellenlänge 1.064 Nanometer sorgte dabei für den nötigen Halt, indem er den Minidiamanten in einem optischen Potenzialtopf festhält. Wie in einer Schale mit steilen Wänden bleibt der Diamant in einem stabilen Zustand am Grund dieses energetischen "Topfs" gefangen.
Oszillierender Minisensor
Weil der levitierende Nanodiamant im Vakuum schwebt, schwingt er nur ganz leicht hin und her, statt ständig durch Störeinflüsse der Luft erschüttert zu werden. "Das erlaubt es uns, präzise mechanische Kontrolle über ihn zu bekommen", erklärt Neukirch. "Die Diamanten werden so zu winzigen harmonischen Oszillatoren."
Der schwebende Diamant ist zwar prinzipiell stabil, er reagiert aber schon auf kleinste Kräfte in seiner Umgebung. "Jede Kraft, sei sie noch so klein, drückt oder zieht den Nanodiamanten leicht aus seiner Position", sagt Neukirch. Der Laseraufbau registriert diese winzigen Auslenkungen und dadurch kann das Ganze als extrem feiner Sensor genutzt werden.
Schrödingers Katze im Diamantgitter
Der Diamant hat aber noch eine Besonderheit: Seine Kristallstruktur weist eine Fehlstelle im Gitter auf, eine sogenannte Stickstoff-Leerstelle. Indem die Forscher einen zweiten Laserstrahl kürzerer Wellenlänge auf diese Leerstelle richten, bringen sie diese zum Leuchten. Denn die Energie des Lichts regt dort Elektronen an und diese geben bei Rückkehr in den Grundzustand einen Teil dieser Energie als Photon wieder ab.
Die Elektronen in dieser Leerstelle können dabei einen Spin von +1 oder +-1 annehmen oder – wie es für Quantensysteme typisch ist – eine Überlagerung beider Spinzustände aufweisen. Wie bei Schrödingers Katze verharren sie theoretisch in beiden Zuständen zugleich, solange dieser nicht gemessen wird. "Wir könne einen Zustand erzeugen, in dem der Spin sowohl +1 als auch -1 zugleich ist", erklärt Neukirch.
Durch Manipulation des levitierten Nanodiamanten sei es künftig vielleicht sogar möglich, den gesamten Diamanten in eine solche Überlagerung zu bringen. "Das wäre dann eine makroskopische Schrödingers Katze", so der Forscher. Allerdings: Ab einer gewissen Größe verhindert Einsteins Zeitdehnung diese Überlagerung, wie Forscher vor kurzem herausfanden.
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Ein schwebender Nanodiamant im Laserstrahl
© J. Adam Fenster/ University of Rochester |
Von Photonen gehalten
Aber auch Licht kann der Schwerkraft entgegenwirken und kleine Objekte zum Schweben zu bringen. Die winzigen Kräfte, die die Photonen eines Laserstrahls auf ein reflektierendes Material ausüben, reichen aus, um zumindest wenige Mikrometer kleine Tröpfchen oder Kristalle in der Luft zu halten. Solange dies allerdings in Luft oder anderen Gasen stattfindet, sorgen Stöße der Gasmoleküle für Störungen, die die Kontrolle der schwebenden Objekte erschweren.
Levi Neukirch von der University of Rochester und seinen Kollegen haben dieses Problem nun gelöst, indem sie erstmals einen Nanodiamanten im Vakuum schweben ließen. Ein Laser der Wellenlänge 1.064 Nanometer sorgte dabei für den nötigen Halt, indem er den Minidiamanten in einem optischen Potenzialtopf festhält. Wie in einer Schale mit steilen Wänden bleibt der Diamant in einem stabilen Zustand am Grund dieses energetischen "Topfs" gefangen.
Oszillierender Minisensor
Weil der levitierende Nanodiamant im Vakuum schwebt, schwingt er nur ganz leicht hin und her, statt ständig durch Störeinflüsse der Luft erschüttert zu werden. "Das erlaubt es uns, präzise mechanische Kontrolle über ihn zu bekommen", erklärt Neukirch. "Die Diamanten werden so zu winzigen harmonischen Oszillatoren."
Der schwebende Diamant ist zwar prinzipiell stabil, er reagiert aber schon auf kleinste Kräfte in seiner Umgebung. "Jede Kraft, sei sie noch so klein, drückt oder zieht den Nanodiamanten leicht aus seiner Position", sagt Neukirch. Der Laseraufbau registriert diese winzigen Auslenkungen und dadurch kann das Ganze als extrem feiner Sensor genutzt werden.
Schrödingers Katze im Diamantgitter
Der Diamant hat aber noch eine Besonderheit: Seine Kristallstruktur weist eine Fehlstelle im Gitter auf, eine sogenannte Stickstoff-Leerstelle. Indem die Forscher einen zweiten Laserstrahl kürzerer Wellenlänge auf diese Leerstelle richten, bringen sie diese zum Leuchten. Denn die Energie des Lichts regt dort Elektronen an und diese geben bei Rückkehr in den Grundzustand einen Teil dieser Energie als Photon wieder ab.
Die Elektronen in dieser Leerstelle können dabei einen Spin von +1 oder +-1 annehmen oder – wie es für Quantensysteme typisch ist – eine Überlagerung beider Spinzustände aufweisen. Wie bei Schrödingers Katze verharren sie theoretisch in beiden Zuständen zugleich, solange dieser nicht gemessen wird. "Wir könne einen Zustand erzeugen, in dem der Spin sowohl +1 als auch -1 zugleich ist", erklärt Neukirch.
Durch Manipulation des levitierten Nanodiamanten sei es künftig vielleicht sogar möglich, den gesamten Diamanten in eine solche Überlagerung zu bringen. "Das wäre dann eine makroskopische Schrödingers Katze", so der Forscher. Allerdings: Ab einer gewissen Größe verhindert Einsteins Zeitdehnung diese Überlagerung, wie Forscher vor kurzem herausfanden.
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