Thermodynamik mit levitierter Optomechanik

Die optische Kontrolle von Nano- und Mikropartikeln hat in den letzten Jahren in zwei relativ jungen Gebieten der Physik Anwendung gefunden, der stochastischen Thermodynamik und der Quanten- Optomechanik. Im ersten Fall wurden optische Pinzetten verwendet um kolloidale Partikel in Flüssigkeit zu kontrollieren, neue theoretische Prognosen zu deren Verhalten weit weg vom thermischen Gleichgewicht zu testen und neuartige Konzepte zu realisieren, wie z.B. stochastische Wärmekraftmaschinen, die als Medium nur einzelne Teilchen nutzen. Im Falle der Cavity-Optomechanik können mechanische Oszillatoren mit Hilfe von Lichtfeldern die zwischen zwei Spiegeln gefangenen sind präzise kontrolliert werden so präzise, dass eine Kontrolle auf dem Quantenniveau möglich wird. Da optische Levitation die Realisierung besonders hochwertiger mechanischer Resonatoren erlaubt gilt die levitierte Optomechanik seit Kurzem als vielversprechendes Modellsystem für Grundlagentests der Quantentheorie massiver Teilchen. Der grundlegende Gedanke des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es, die gegenseitige Befruchtung dieser beiden blühenden und stark zusammenhängenden Forschungsfelder zu fördern, und zwar durch die Nutzung rein optischer Kontrolle von levitierten Nanoobjekten als experimentelles Leitmotiv, das den Zugang zum Quantenregime ermöglicht. Zentrales Ziel ist es, eine Testumgebung von einzigartiger Flexibilität für die stochastische Thermodynamik bereit zu stellen und neue Konzepte der Quantenthermodynamik umzusetzen, beispielsweise die Funktionsweise von Quantenwärmekraftmaschinen. Um dies zu erreichen werden wir auf der Technologie aufbauen, die für optische Pinzetten in der Biologie und teils auch für Experimente mit kalten Atomen bereits existiert, und komplexe optische Potentiallandschaften in Vakuum implementieren um eine hohe Kontrolle über die Dynamik der Nanopartikel zu ermöglichen. Darüber hinaus werden wir darin fortfahren, die levitierte Optomechanik in optischen Resonatoren zu Ihrer vollen Leistungsfähigkeit weiter zu entwickeln um zeitabhängige anisotrope Spannung und/oder Temperatur zu realisieren und auch die Bereitstellung von nicht-klassischen Zuständen zu ermöglichen. Die Verknüpfung dieser Experimente in einer einzigen Plattform erlaubt zum Einen die Durchführung thermodynamischer Prozesse mit einem außergewöhnlichen Maß an Kontrolle und zum Anderen die Implementierung völlig neuer thermodynamischer Tests an den Grenzen der Gültigkeit aktueller Vorhersagen. Die wesentliche Bedeutung einer solchen neuen wissenschaftlichen Plattform besteht sicherlich in ihrem Nutzen für das Verständnis fundamentaler Fragestellungen in der Thermodynamik, der statistischen Physik und den Grundlagen der Quantenphysik, sowie in seiner Funktion als Modell für thermodynamische Wärmekraftmaschinen. Darüber hinaus werden aber optisch levitierte Nanokugeln in ultra-hohem Vakuum auch als ausgezeichnete Sensoren für Druck und Masse diskutiert, was auch direkt zu technischen Anwendungen des neuen Systems führen könnte.

Wenn wir über die Effizienz von Automotoren, Wärmepumpen oder Solarzellen sprechen, steht im Hintergrund eine mächtige Theorie der Physik: Die Thermodynamik gibt uns fundamentale Gesetze zur Hand zur Beschreibung der Effizienz von Maschinen und vielem mehr. Auch in der mikroskopischen Welt gelten die Gesetze der Thermodynamik, wobei auch zufällige Bewegungen (thermische Fluktuationen) thermodynamische Prozesse beeinflussen. Der Kern des Projektes TheLO war die experimentelle Entwicklung von Methoden die erlauben möglichst allgemeine, komplizierte Prozesse der Operation von Nanoteilchen umzusetzen und dabei den Einfluß thermischer Fluktuationen so weit zu reduzieren, daß Quantenfluktuationen relevant werden. Das Werkzeug, das die TheLO dafür nutzt ist Laserlicht: Es erlaubt kleine Glaskügelchen mit nur einem tausendsdel Durchmesser eines Haars schweben zu lassen. Darüber hinaus ermöglicht es eine enorm genaue Messung der Teilchenbewegung. Den Forschern des Projekts TheLO gelang es erstmals eine Art komplizierte Landschaft aus Licht mit Hügeln und Tälern im Vakuum zu erzeugen, die sich auch noch zeitlich verändert und in der sich das Teilchen bewegt. Dies erlaubt viel allgemeinere Prozesse umzusetzen als bisher möglich war. Zum Beispiel konnte die Gruppe mit dieser Technologie ein neues Phänomen experimentel Nachweisen: Bedingungen bei der sich die übliche Wärmeentstehung bei einer Speicheroperation (hier das Löschen eines Bits) vermeiden läßt. Sobald eine Messung der Teilchenbewegung und eine auf dem Messergebnis basierende Kraft zur Teilchenkontrolle eingesetzt wird (Feedbackkontrolle), müssen die thermodynamischen Gesetze angepasst werden, wie oft am Beispiel des Maxwellschen Dämons erläutert wird. Im Rahmen von des Projekts konnten nun neue fundamentale Grenzen experimentell nachgewiesen werden, die durch Zeitverzögerungen auferlegt werden und nicht von den gängigen thermodynamischen Gesetzen berücksichtigt werden. Diese Erkenntnis hat Auswirkungen auf das Verständnis der Leistungsfähigkeit und Effizienz von Feedbackkontrolle auch in realistischen Szenarien. In Zusammenarbeit mit Kollegen aus Wien wurde die Methode des Feedbackkühlens so weit verfeinert daß die Bewegung des Teilchens bis zur fundamentalen quantenphysikalischen Grenze reduziert werden konnte. Dieser Meilenstein wurde erstmals und sogar mit zwei verschiedenen Verfahren erreicht. Er öffnet die Tür zu quantenmechanischen Experimenten mit schwebenden Nanopartikeln, welche wiederum essentiell für unser fundamentales Verständnis der Quantennatur massiver Objekte sein werden. Basierend auf den Ergebnissen und Methoden der TheLO-Forschung wurde im Rahmen des Projekts nun ein neues Konzept vorgeschlagen, um nun auch das quantenmechanisches Verhalten mithilfe von zeitlich verformbaren "Landschaften" zu kontrollieren. Dieser neue Ansatz lässt einen experimentellen Nachweis der Wellennatur unserer Glaskugeln in greifbare Nähe rücken und würde die Grenze für Objektmassen die dies erlauben um einen Faktor 10000 erhöhen. Zusammenfassend hat TheLO einen komplett neuen Level an Kontrolle über die Bewegung mesoskopischer Teilchen ermöglicht, sowohl hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Manipulation als auch der Kontrolle im Quantenregime. Es hat unser Verständnis der Thermodynamik von Feedbackkontrolle und Speichernutzung erweitert und den Weg frei gemacht für die Erforschung von Thermodynamik, Effizienz und Optimierung bei Quantenprozessen.