Wie man schwingende Spiegel mit Licht einfriert

Laserstrahlen als Kühlmittel: Makroskopische Objekte in der Nähe des absoluten Nullpunkts sollen die Quantenphysik testen

Von Rainer Scharf

Wärme ist die ungeordnete Bewegung von Atomen, Molekülen und auch von Lichtteilchen. Somit wäre ein Laserstrahl, in dem die Photonen in nahezu perfekter Ordnung dahinfliegen, ziemlich kalt. Tatsächlich kann man kleine Atomwolken mit Laserlicht auf extrem tiefe Temperaturen kühlen. Anders verhält es sich bei größeren Objekten. Sie werden von Laserstrahlung normalerweise erwärmt, da sie einen Teil der Photonen verschlucken. Da klingt es überraschend, daß man kleine Spiegel mit Laserlicht in die Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts kühlen können soll. Und doch ist dieses Kunststück gleich drei Forschergruppen unabhängig voneinander gelungen. Mit derart kalten und ruhiggestellten Spiegeln will man Abstände mit subatomarer Genauigkeit messen und die Grenzen der Quantenphysik aufspüren.

Die in den drei Experimenten verwendeten Spiegel maßen nur etwa einen Zehntelmillimeter und waren an ebenso großen elastischen Balken befestigt, die wie eine Gitarrensaite oszillieren konnten. Je höher die Temperatur eines Spiegels war, desto heftiger waren diese Schwingungen. Die Forscher wollten die Oszillationen mit wohldosiertem Laserlicht so weit dämpfen, daß die Temperatur der Spiegel dem absoluten Nullpunkt möglichst nahe kam. Dazu nutzten sie den Rückstoß der Photonen aus, die von den Spiegeln reflektiert wurden.

Die zu kühlenden Mikrospiegel waren jeweils in einem optischen Hohlraumresonator eingebaut. Dieser enthielt noch einen zweiten, viel größeren und fixierten Spiegel, der dem Mikrospiegel in einem Abstand von etwa zwei Zentimetern gegenüberstand. Aufgrund seiner großen Masse führte der zweite Spiegel, der für infrarotes Licht zum Teil durchlässig war, keine merklichen Wärmeschwingungen aus. Durch ihn wurde "kühlendes" infrarotes Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge in den Hohlraum eingestrahlt.

Die Forscher um Markus Aspelmeyer und Anton Zeilinger von der Universität Wien wie auch die Gruppe von Pierre-François Cohadon an der Université Pierre et Marie Curie in Paris wählten ein selbstregelndes Kühlverfahren. Da der Mikrospiegel wegen der Wärmebewegung ständig um seine Ruhelage oszillierte, änderte sich die Länge des Hohlraums und damit auch die Resonanzwellenlänge, bei der besonders viele Photonen in den Hohlraum paßten. Bewegte sich der Mikrospiegel dem Laserlicht entgegen, so waren Laser und Hohlraum in Resonanz. Der Hohlraum enthielt dann viele Photonen, die einem Hagelschauer gleich auf den Mikrospiegel prasselten und seine Schwingung dämpften. Schwang der Spiegel wieder zurück, so waren Laser und Hohlraum "verstimmt". Der Hohlraum konnte nicht mehr so viele Photonen aufnehmen. Da die überschüssigen Lichtteilchen durch den feststehenden Spiegel entwichen, entstand ein "Photonenunterdruck", der die Oszillation des Mikrospiegels weiter drosselte. Die Forscher um Zeilinger vergleichen die Vorgehensweise wie bei einem federnden Sprungbrett im Schwimmbad, das man durch geschicktes Gegenfedern abstoppt. Auf diese Weise haben beide Forschergruppen ihre Mikrospiegel schrittweise zur Ruhe gebracht und von ursprünglicher Raumtemperatur (300 Kelvin) auf etwa zehn Kelvin abgekühlt ("Nature", Bd. 444, S. 67 und 71).

Eine noch stärkere Abkühlung erreichten Dustin Kleckner und Dirk Bouwmeester von der University of California in Santa Barbara mit einem aktiven Verfahren. Ihr Mikrospiegel saß auf dem schwingenden Arm eines Rastertunnelmikroskops und war ebenfalls Teil eines Hohlraumresonators. Die Oszillationen des Spiegels verursachten periodisch auftretende Verstimmung des Hohlraums, anhand deren sie sich mit einem Laser verfolgen ließen. Die gewonnene Information ging an eine Steuerelektronik, die die Intensität eines zweiten Laserstrahls regelte, der unmittelbar neben dem Spiegel auf den Arm des Mikroskops gerichtet war. Je nach der Bewegung des Spiegels prasselten mehr oder weniger Photonen auf den Arm herab und bremsten ihn und den Spiegel durch ihren Rückstoß ab. Dadurch konnte der Spiegel von 300 Kelvin auf etwa 135 Millikelvin abgekühlt werden ("Nature", Bd. 444, S. 75).

Die drei Forschergruppen hoffen, ihre Spiegel einmal so weit abkühlen zu können, daß deren Wärmebewegung völlig unterdrückt wird. Die Spiegel würden dann nur noch den unvermeidlichen quantenmechanischen Bewegungsschwankungen unterliegen, die aus Heisenbergs Unschärfebeziehung folgen. Mit solch extrem ruhig gehaltenen Spiegeln könnte man Abstände äußerst genau messen. Dadurch ließe sich zum einen die Präzision von Rastertunnelmikroskopen verbessern. Zum anderen käme dies den optischen Gravitationswellendetektoren wie Geo 600 in Ruthe bei Hannover zugute. Mit diesen zum Teil kilometerlangen, extrem empfindlichen Interferometern wollen die Forscher jene Schwerewellen direkt nachweisen, die etwa bei Supernova-Explosionen oder bei Kollisionen von Schwarzen Löchern und anderen schweren kosmischen Objekten entstehen sollen. Beim Durchgang dieser Gravitationswellen würden sich die Arme des Detektors nur um Bruchteile eines Atomkerndurchmessers verändern.

Darüber hinaus ließe sich ein "tiefgekühlter" Spiegel kontrolliert in eine Überlagerung von zwei Quantenzuständen bringen, wie es mit Atomen und Molekülen gelingt, nicht aber etwa mit Schrödingers Katze, jenem imaginären Tier, das durch einen perfiden Mechanismus in einen quantenmechanischen Zustand befördert wird, in dem es zugleich tot und lebendig ist. Der Physiker Erwin Schrödinger wollte mit seinem Gedankenexperiment auf die seltsamen Konsequenzen hinweisen, die eine unmittelbare Übertragung quantenmechanischer Gesetze auf unsere alltägliche Erfahrungswelt hat.

Der britische Physiker Roger Penrose hat vermutet, daß makroskopische Objekte, die sich in einer Überlagerung von zwei Quantenzuständen befinden, aufgrund ihrer Schwerkraft sogleich in einen der beiden Zustände übergehen. Für Atome und Moleküle wäre dieser Übergang unbeobachtbar langsam, da ihre Schwerkraft extrem schwach ist. Diese Hypothese steht im Widerspruch zur heute anerkannten Quantenphysik, doch sie ließe sich mit einem winzigen, tiefgekühlten Spiegel experimentell überprüfen, wie die Wissenschaftler berechnet haben.

Text: F.A.Z., 15.11.2006, Nr. 266 / Seite N2