Resonatorkühlung von dielektrischen Nanopartikeln

CAVICOOL zielt auf die Entwicklung neuer optischer Kühltechniken für größen- und formselektierte dielektrische Nanoteilchen im Ultrahochvakuum. Diese Studien legen den Grundstein für zukünftige Quanteninterferenzexperimente bei ultrahohen Massen, im Bereich 107-1010 amu. CAVICOOL baut auf den erfolgreichen Vorarbeiten der Gruppe Quantennanophysik an der Universität Wien auf, wo kürzlich erstmals das Resonatorkühlen an rund 300 nm großen Nanoteilchen mit einer Masse um 1010 amu demonstriert werden konnte [1, 2]. Das Projekt ist komplementär zu anderen internationalen Bemühungen in diesem Gebiet aufgestellt und zielt auf die Umsetzung der nächsten großen Schritte: CAVICOOL wird sich mit laserinduzierten Methoden beschäftigen, die es erlauben sollen größen- und formselektierte Nanoteilchen langsam und isoliert ins Ultrahochvakuum zu transferieren. Insbesondere die laserinduzierte akustische Desorption und laserinduzierter thermomechanischer Stress sollen es ermöglichen, 30-300 nm große Nanoteilchen von Oberflächen abzulösen. CAVICOOL wird erstmals bimodales Kühlen in einer Cavity implementieren. Dies soll die Kühlung von 1010 amu Teilchen ermöglichen evtl. bis hinunter zu Millikelvin. CAVICOOL wird Mikroresonatoren in reinem Silizium realisieren. Die erwartete Spiegelqualität und Finesse soll es ermöglichen, Strahltaillen bis hinunter zu 5 m zu erreichen mit Spiegelabständen jenseits von 500 m. Derart kleine Brennpunkte sind insbesondere für die Manipulation von Teilchen im Durchmesserbereich 30-50 nm wichtig. CAVICOOL wird zur weiteren Bremsung schnelle optische Rückkopplungsmethoden verwenden, um so die Aufenthaltszeiten der Teilchen im kühlenden Resonatorfeld zu verlängern. In dieser Kombination soll es dann möglich sein, Temperaturen im Bereich von Millikelvin auch für Teilchen um 107 amu Masse zu erzielen. All dies sind wichtige Grundvoraussetzungen für zukünftige Experimente zur Nahfeldbeugung und Quanteninterferenz mit Teilchen im Bereich von 107 amu.

Ziel des FWF Einzelprojektes CAVICOOL war es, im Hinblick sowohl auf zukünftige Experimente mit massiven Quantensystemen als auch für hochempfindliche Beschleunigungs- und Drehmomentsensoren, neue Methoden zur Kühlung dielektrischer Nanoteilchen zu entwickeln. Ausgangspunkt dieser Studie waren die experimentellen Erfolge unserer Forschungsgruppe, in denen wir zeigen konnten, dass man Nanoteilchen mit 10 Milliarden Protonmassen mittels Laserlicht in optischen Resonatoren hoher Güte kühlen kann:Dabei nutzt man, dass selbst ein transparentes Teilchen durch seinen Brechungsindex die optischen Eigenschaften eines Resonators verändert und das Lichtfeld in dieser Cavity wiederum eine Kraft auf das Teilchen ausübt. So moduliert die Bewegung eines Silizium-Nanoteilchens im Resonator das Lichtfeld immer derart, dass es stets gegen einen höheren Lichtberg anläuft als es wieder herabrollen kann. Dadurch verliert es Bewegungsenergie. Cavity-Cooling von Nanoteilchen ähnelt so ein wenig der Geschichte des mythischen Helden Sisyphus. Zur Realisierung neuartiger Quanteninterferenzexperimente möchte man insbesondere Teilchen kühlen, die 1000x kleiner sind als diejenigen für die dieser Cavity-Effekt schon nachgewiesen wurde. Eine besondere Herausforderung dabei ist die Tatsache, dass diese Kühlmethode sehr viel schwieriger wird, wenn kleinere Teilchen verwendet werden. Um die benötigte Licht-Materie-Kopplung dennoch sicherzustellen, haben wir erstmals integrierte mikrofabrizierte Siliziumresonatoren mit einem winzigen Modenvolumen erzeugt. Diese Mikroresonatoren haben außergewöhnliche Güte, mechanische Stabilität und einen offenen Zugang für die Nanoteilchen. Die optische Qualität und Finesse der Spiegel reicht nun aus um in einem nächsten Schritt, Teilchen mit winzigen Massen um 107 amu (10-20 kg) zu kühlen. Darüber hinaus wurden neue Quellen entwickelt, die es ermöglichen mit Laserlicht Freiform - Nanoteilchen hier: sehr elongierte Silizium-Nanostäbchen ins Vakuum zu katapultieren. Dadurch wurden erstmals Experimente möglich, in denen wir die Wirkung des Lichts auf die Rotationsbewegung der Teilchen beobachten konnten, was neue Experimente in der Rotations-Quanten-Optomechanik eröffnet.