Mikrokavitäten als Sensorplattform

Sensoren sind eine Säule des Internets der Dinge und liefern die Daten zur Steuerung aller möglichen Objekte. Hier ist Präzision unerlässlich, und hier könnten Quantentechnologien einen Unterschied machen. Forscher in Innsbruck und Zürich zeigen nun, wie Nanopartikel in winzigen optischen Resonatoren in ein Quantenregime überführt und als hochpräzise Sensoren eingesetzt werden können.

Fortschritte in der Quantenphysik bieten neue Möglichkeiten, die Präzision von Sensoren deutlich zu verbessern und damit neue Technologien zu 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 und ein Team um Romain Quidant von der ETH Zürich schlagen nun ein neues Konzept vor für einen hochpräzisen Quantensensor. Die Forscher schlagen vor, dass die Bewegungsfluktuationen eines in einem mikroskopisch kleinen optischen Resonator gefangenen Nanopartikels deutlich unter die Nullpunktbewegung reduziert werden könnten, indem die schnelle instabile Dynamik des Systems ausgenutzt wird.

Partikel zwischen Spiegeln eingefangen

Mechanisches Quantenquetschen reduziert die Unsicherheit von Bewegungsfluktuationen unterhalb der Nullpunktbewegung und wurde in der Vergangenheit mit mikromechanischen Resonatoren im Quantenregime experimentell demonstriert. Die Forscher schlagen nun einen neuartigen Ansatz vor, der speziell auf schwebende mechanische Systeme zugeschnitten ist. „Wir zeigen, dass ein richtig gestalteter optischer Hohlraum verwendet werden kann, um die Bewegung eines schwebenden Nanopartikels schnell und stark zu komprimieren“, sagt Katja Kustura vom Team von Oriol Romero-Isart in Innsbruck. In einem optischen Resonator wird Licht zwischen Spiegeln reflektiert und interagiert mit dem schwebenden Nanopartikel. Eine solche Interaktion kann zu dynamischen Instabilitäten führen, die oft als unerwünscht angesehen werden. Die Forscher zeigen nun, wie sie stattdessen als Ressource genutzt werden können. „In der vorliegenden Arbeit zeigen wir, wie durch die richtige Kontrolle dieser Instabilitäten die resultierende instabile Dynamik eines mechanischen Oszillators in einem optischen Hohlraum zu mechanischem Quetschen führt“, sagt Kustura. Das neue Protokoll ist in Gegenwart von Dissipation robust, was es besonders in der schwebenden Optomechanik durchführbar macht. In der Zeitung, veröffentlicht in der Zeitschrift Briefe zur körperlichen Überprüfungwenden die Forscher diesen Ansatz auf ein Silica-Nanopartikel an, das über kohärente Streuung an einen Mikrohohlraum gekoppelt ist. „Dieses Beispiel zeigt, dass wir das Teilchen um Größenordnungen unter die Nullpunktbewegung quetschen können, selbst wenn man von einem thermischen Anfangszustand ausgeht“, freut sich Oriol Romero-Isart.

Die Arbeit bietet eine neue Verwendung optischer Hohlräume als mechanische Quantenquetscher und schlägt einen praktikablen neuen Weg in der schwebenden Optomechanik jenseits der Quantengrundzustandskühlung vor. Mikroresonatoren bieten damit eine interessante neue Plattform für das Design von Quantensensoren, die beispielsweise in Satellitenmissionen, selbstfahrenden Autos oder in der Seismologie eingesetzt werden könnten.