Seminarbericht

Mit dem Physik-Nobelpreis des letzten Jahres wurde die Erfindung der optischen Pinzette gewürdigt, mit deren Hilfe sich mikroskopische Objekte mit Lichtkräften in der Schwebe halten und manipulieren lassen. Das junge Forschungsfeld der levitierten Optomechanik setzt diese Entwicklung fort, indem es die Reaktion des elektomagnetischen Feldes auf die Teilchenbewegung gezielt einsetzt, um schwebende nanoskalige Objekte in ihrer Bewegung zu kühlen und als hochpräzise Sensoren zu verwenden. Ein großer Vorteil besteht in der nahezu perfekten thermischen Isolation des Systems, die es gestatten sollte, selbst quantenmechanisches Verhalten für lange Zeit aufrechtzuerhalten.

In der Tat wurde auf diesem Seminar, das vom 29. Juli bis 1. August 2019 im Physikzentrum Bad Honnef stattfand, erstmals bekannt gegeben, dass es gelungen ist, ein levitiertes Quarz-Kügelchen in den quantenmechanischen Grundzustand seiner Bewegung zu kühlen. Dieser lange erhoffte experimentelle Durchbruch, der auf der phasenkohärenten Streuung des Lichts einer optischen Pinzette in einen Hohlraumresonator basiert, eröffnet eine Vielzahl experimenteller Anwendungen. So wurden Vorschläge diskutiert, quantenmechanische Superpositionen höchster Makroskopizität herzustellen und nachzuweisen oder mehrere levitierte Nanoteilchen miteinander zu verschränken.

Doch bereits in ihrem klassischen Verhalten können frei schwebende Objekte Bemerkenswertes leisten, wie in vielen weiteren Beiträgen berichtet wurde. Dazu gehört die Detektion von Gravitationswellen, die Suche nach exotischer dunkler Materie und die Vermessung von Feldern auf dem Niveau von Zeptonewton.

Eine Besonderheit schwebender Teilchen ist schließlich ihre Fähigkeit, sich wie ein Kreisel zu drehen. Vorträge berichteten von der höchsten jemals erreichten Rotationsfrequenz, von der präzisesten je beobachteten Zeigerbewegung sowie von der Möglichkeit, Superpositionen verschiedener Orientierungen herzustellen. Bemerkenswerte Effekte der Eigendrehung zeigen auch superfluide Helium-Tröpfchen oder Nano-Diamanten, deren Farbzentren mit Mikrowellen-Feldern manipuliert werden können.

Die levitierte Optomechanik stellte sich somit als ein aufstrebendes Forschungsgebiet dar, von dem noch Erstaunliches zu erwarten ist. Stellvertretend für die jüngeren Teilnehmer wurden Julen Simon Pedernales von der Universität Ulm und Dominik Windey von der ETH Zürich mit Posterpreisen ausgezeichnet. Im Namen aller Teilnehmer bedanken wir uns ganz herzlich bei der Wilhelm und Else Heraeus-Stiftung und beim Physikzentrum Bad Honnef für die perfekte Organisation.
 

Prof. Dr. Klaus Hornberger, U Duisburg-Essen

Dr. James Millen, King’s College London

Prof. Dr. Markus Arndt, U Wien