Gleichzeitige Kühlung von Nanopartikeln unabhängig von ihrer elektrischen Ladung

Physiker haben in den vergangenen vierzig Jahren gelernt, immer größere Objekte auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt herunterzukühlen: Atome, Moleküle und neuerdings auch Nanopartikel, die aus Milliarden von Atomen bestehen. Während man Atome allein mit Laserlicht kühlen kann, mussten Nanopartikel bisher elektrisch geladen und mit elektrischen Feldern manipuliert werden, um optimal gekühlt zu werden.

Ein Team von ETH-Forschenden unter der Leitung von Professor Lukas Novotny vom Departement Informationstechnologie und Elektrotechnik hat nun eine Technik entwickelt, um mehrere Nanopartikel unabhängig von ihrer elektrischen Ladung bis auf wenige Millikelvin einzufangen und zu kühlen. Dies eröffnet vielfältige Möglichkeiten, Quantenphänomene solcher Teilchen zu untersuchen oder hochempfindliche Sensoren zu bauen.

Kühlende neutrale Teilchen

„In unserer Forschungsgruppe haben wir in den vergangenen zehn Jahren die Kühlung einzelner elektrisch geladener Nanopartikel perfektioniert“, sagt Jayadev Vijayan, Postdoc in Novotnys Labor und Erstautor der kürzlich in der Fachzeitschrift erschienenen Arbeit Natur Nanotechnologie. „Mit der neuen Methode, die auch für elektrisch neutrale Objekte funktioniert, können wir nun erstmals auch mehrere Teilchen gleichzeitig einfangen, was ganz neue Perspektiven für die Forschung eröffnet.“

In ihren Experimenten hielten die Forscher eine knapp 200 Nanometer kleine Glaskugel mit einem stark gebündelten Laserstrahl, auch optische Pinzette genannt, in einer Vakuumapparatur fest. In der optischen Pinzette schwingt die Kugel aufgrund ihrer Bewegungsenergie hin und her.

Je höher die Temperatur des Teilchens ist, desto höher ist seine Bewegungsenergie und damit die Schwingungsamplitude. Wie stark und in welche Richtung die Kugel in der optischen Pinzette gerade schwingt, lässt sich mit einem Lichtdetektor messen, der das von der Kugel gestreute Laserlicht auffängt.

Verlangsamung durch Schütteln

Novotny und seine Mitarbeiter nutzen diese Informationen dann, um das Nanopartikel zu verlangsamen und damit zu kühlen. Dies wird erreicht, indem die optische Pinzette genau entgegengesetzt zur Schwingung der Kugel geschüttelt wird, indem ein elektronisch gesteuerter Deflektor die Richtung des Laserstrahls und damit die Position der Pinzette geringfügig ändert.

Wenn sich die Kugel nach links bewegt, wird die Pinzette schnell nach rechts verschoben, um der Bewegung der Kugel entgegenzuwirken; Wenn er sich nach rechts bewegt, verschiebt der Deflektor die Pinzette nach links. Auf diese Weise wird seine Schwingungsamplitude und damit seine effektive Temperatur nach und nach reduziert – bis auf wenige tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 Grad Celsius.

Um zwei Nanopartikel gleichzeitig zu kühlen, wenden die Forscher einen Trick an. Die optische Pinzette, in der sie die Kugeln einfängt, ist so justiert, dass die Schwingungsfrequenzen der Teilchen leicht unterschiedlich sind. Auf diese Weise können die Bewegungen der beiden Kugeln mit demselben Lichtdetektor unterschieden und die Abkühlstrategien getrennt auf die beiden Pinzetten angewendet werden.

Skalierung auf mehrere Nanopartikel

„Die simultane Kühlung lässt sich problemlos auf mehrere Nanopartikel hochskalieren“, erklärt Vijayan. „Da wir die Positionen der Teilchen vollständig kontrollieren, können wir die Wechselwirkungen zwischen ihnen beliebig einstellen; so können wir in Zukunft Quanteneffekte mehrerer Teilchen untersuchen, etwa die Verschränkung.“

In einem verschränkten Zustand beeinflusst eine Messung an einem Teilchen augenblicklich den Quantenzustand des anderen ohne direkten Kontakt zwischen den beiden Teilchen. Bisher wurden solche Zustände hauptsächlich mit Photonen oder einzelnen Atomen realisiert. Vijayan hofft, dass er eines Tages auch mit den viel größeren Nanopartikeln verschränkte Zustände erzeugen kann.

Dass die Nanopartikel elektrisch neutral sein können, hat weitere Vorteile, etwa für die Entwicklung extrem empfindlicher Sensoren. Wenn man sehr schwache Gravitationskräfte zwischen Objekten misst oder nach hypothetischer dunkler Materie sucht, möchte man andere Kräfte so weit wie möglich eliminieren – und meistens sind das elektrostatische Kräfte zwischen geladenen Teilchen. Auch auf diesen Gebieten verspricht die von den ETH-Forschenden entwickelte Methode neue Erkenntnisse.