ELITE NETZWERK BAYERN

Deutsch  Language Icon  |  Gebärdensprache  |  Leichte Sprache  |  Contact


Forschungsarbeit

Quantenmechanik am Limit: Superpositionen massiver Objekte

Von Anika C. Pflanzer (09.10.2013)

Eine grundlegende Eigenschaft der Quantenmechanik ist die Existenz von Überlagerungszuständen, in denen ein Gegenstand sich in zwei Zuständen gleichzeitig befindet. Dies wird besonders deutlich bei räumlichen Überlagerungen, in denen ein Objekt über zwei Orte delokalisiert ist, und sich somit effektiv an zwei Orten befindet. Experimente, in denen kleine Objekte wie Elektronen, Protonen, Ionen, Atome oder sogar Moleküle auf einen Doppelspalt geschossen werden um danach das Interferenzmuster ihrer Materiewellen zu beobachten, beweisen sowohl die Wellennatur dieser Materieteilchen als auch die Existenz von Superpositionszuständen [1]. Doch seit den allerersten Anfängen der Quantenmechanik kommen sowohl Wissenschaftler als auch Laien darüber ins Grübeln, ob sich quantenmechanische Superpositionen mit immer größeren und massiveren Objekten beobachten lassen. Zahlreiche berühmte Debatten, wie zum Beispiel Schrödingers Gedankenexperiment um die berüchtigte Katze, kreisen um dieses Thema.

Die Beobachtung von Überlagerungszuständen massiver Objekte wird vor allem durch das Phänomen der Dekohärenz erschwert: sie beschreibt wie ein anfangs quantenmechanischer Zustand durch Wechselwirkung mit seiner Umgebung zerstört wird. Folglich müssen Systeme zur Beobachtung quantenmechanischen Verhaltens möglichst gut von ihrer Umgebung abgeschirmt werden, was umso schwieriger ist je größer und massiver die Objekte werden. Aus dieser Schwierigkeit folgern die meisten Wissenschaftler, dass räumliche Überlagerungen massiver Gegenstände nicht existieren können.

Abb.1: Graphische Darstellung einer schwebenden Nanokugel in einem   optischen Resonator.[Bildunterschrift / Subline]: Abb.1: Graphische Darstellung einer schwebenden Nanokugel in einem optischen Resonator.

Gleichwohl bleibt die fesselnde Frage offen, ob die Dekohärenz der einzige Mechanismus ist, der die Existenz quantenmechanischer Zustände verhindert. In den letzten Jahren wurden von namhaften Wissenschaftlern, wie beispielsweise Roger Penrose, Vermutungen formuliert, die die Gültigkeit der Quantenmechanik auf einen gewissen Parameterraum beschränken: sie sagen einen Zusammenbruch der Theorie für ausreichend massive Objekte vorher. In der Tat wurde die Gültigkeit der Quantentheorie bislang nur mit masselosen Elementarteilchen wie Photonen sowie mit massiven Objekten aus bis zu einigen hundert Atomen getestet.  Es ist daher durchaus möglich, dass diese Theorie, die die Welt im „Kleinen“ so gut beschreibt, auf größeren Skalen versagt.

In unserer Arbeit entwickeln wir Methoden, um diese offenen Fragen zu beantworten. Zum einen konzipieren wir neue Experimente, um massive Objekte in Überlagerungszuständen zu präparieren und somit die fundamentalen Grenzen der Quantenmechanik auszutesten [2]. Zum anderen entwickeln wir neue theoretische Modelle, um quantenmechanische Zustände von Objekten bislang unerreichter Größenskalen zu beschreiben. Für diesen bislang unerforschten Parameterbereich sind vollkommen neue Ansätze notwendig, die über bisher bekannte Näherungen hinausgehen. [3,4]

Ein Forschungsfeld, das in diesem Zusammenhang in den letzten Jahren für viel Aufsehen gesorgt hat, ist die Optomechanik [5]. Hier wird versucht, die mechanischen Schwingungen von Minioszillatoren mit Hilfe des Strahlungsdrucks von Licht zu dämpfen. Erst 2010 wurde ein Meilenstein auf diesem Weg erreicht: die Kühlung der Bewegung solcher optomechanischer Mikro-Resonatoren in ihren quantenmechanischen Grundzustand [6]. Diese Resonatoren stellen somit Objekte dar, die – obwohl sie Billionen von Atomen enthalten – in einen quantenmechanischen Zustand gebracht werden können. Dadurch eröffnen sich vollkommen neue Parameterräume für Tests der Quantenmechanik. Leider ist das Gebiet, über das die Wellenfunktion dieser Objekte delokalisiert ist (die Grundzustandsgröße), sehr klein, das heißt die räumliche Ausdehnung der Überlagerung liegt meistens im subatomaren Bereich. Die Schwierigkeit liegt nun darin diese nanomechanischen Resonatoren in größeren Überlagerungszuständen zu präparieren.

Fig.2: Schematische Darstellung des Protokolls zur Präparation großer Superpositionen mechanischer Oszillatoren im Grundzustand. Eine dielektrische Kugel im Nanometer-Regime wird gefangen und in einem optischen Resonator gekühlt, wodurch ein anfänglich rei[Bildunterschrift / Subline]: Abb 2: Schematische Darstellung des Protokolls zur Präparation großer Superpositionen mechanischer Oszillatoren im Grundzustand. Eine dielektrische Kugel im Nanometer-Regime wird gefangen und in einem optischen Resonator gekühlt, wodurch ein anfänglich reiner Quantenzustand der Schwerpunktsposition präpariert wird. Daraufhin wird die Kugel aus dem ersten Resonator fallen gelassen und tritt in einen zweiten Resonator ein, in der ein speziell geformter Laserpuls eine Überlagerung aus zwei getrennten Positionen, ähnlich einem Doppelspaltexperiment, herstellt. Nach einer weiteren Expansionszeit wird ein Interferenzmuster sichtbar, das durch die präzise Messung der Schwerpunktsposition der Kugel ausgelesen werden kann.

Hierfür bieten sich optisch schwebende mechanische Resonatoren als geeignete Kandidaten an [2,3]. Sie bestehen aus Nano-Glaskugeln, die in einem optischen Resonator mit Hilfe einer sogenannten optischen „Pinzette“ (einem stark fokussierten Gaußschen Laserstrahl) gehalten werden. Ein weiterer Laserstrahl entlang der Achse des Resonators wird benutzt, um die Bewegung des Objektes in dieser Richtung bis in den Grundzustand zu kühlen, zur Illustration siehe Abb. 1. Der Hauptvorteil dieses Systems liegt darin, dass der derart schwebende Oszillator keinen direkten mechanischen Berührungspunkt mit seiner Umgebung hat und dadurch sogar bei Raumtemperatur sehr gut von dieser isoliert ist. Basierend auf diesem Aufbau haben wir ein Protokoll zur Realisierung ausgedehnter Superpositionen massiver Objekte entwickelt.

In diesem Protokoll [2] wird ausgenutzt, dass das Fallenpotential des Oszillators variabel ist. Dies ermöglicht es das Objekt aus der Falle zu entlassen und so seine Wellenfunktion kohärent über eine Entfernung zu delokalisieren, die viel größer als sein Grundzustand ist. Durch eine Messung des Quadrates der Position des Objektes kann durch optomechanische Methoden effektiv ein Youngscher Doppelspalt implementiert werden (siehe Abb. 2 für eine schematische Darstellung dieses Protokolls). Die Nanokugel befindet sich danach in einem Überlagerungszustand von bislang unerreichter Ausdehnung. Diese Zustände könnten Tests der Quantenmechanik in einem bislang unerforschten Parameterbereich ermöglichen und durch eine Bestätigung des Superpositionsprinzips den Gültigkeitsbereich der Quantenmechanik signifikant erweitern.

Zusammenfassend steht dieser Forschungsbereich kurz vor der Realisierung einer Fülle von neuen Experimenten, die die Gültigkeit der Quantenmechanik in einem bislang unerforschten Bereich testen können. Sie bedienen sich der großen Vielfalt an Methoden, die in den letzten Jahrzehnten entwickelt wurden, um verschiedenartige Objekte in das Quantenregime zu bringen. 

Diese spannende und weitreichende Forschung wird möglicherweise auch unser Verständnis des Zusammenspiels von allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik verbessern. Gleichzeitig könnte sie auch zu wichtigen anwendungsbezogenen Ergebnissen führen, beispielsweise zu neuen hochempfindlichen Detektoren für den Nachweis extrem schwacher elektromagnetischer Felder, Gravitationskräfte oder sogar Gravitationswellen, bei denen die hohe Empfindlichkeit der quantenmechanischen Zustände auf ihre Umgebung ausgenutzt wird.

Quellen:

[1] M.Arndt, O.Nairz, J. Vos-Andreae, C. Keller, G. van Der Zouw, and A. Zeilinger, Wave-particle duality of C60 molecules, Nature 401,680,(1999).

[2] O. Romero-Isart, A. C. Pflanzer, F. Blaser, R. Kaltenbaek, N. Kiesel, M. Aspelmeyer, and J. I. Cirac, Large Quantum Superpositions and Interference of Massive Nanometer-Sized Objects, PRL 107, 020405 (2011).

[3] A. C. Pflanzer, O. Romero-Isart, J. I. Cirac, Master-equation approach to optomechanics with arbitrary dielectrics, PRA 86, 013802 (2012).

[4] O. Romero-Isart, A. C. Pflanzer, M. L. Juan, R. Quidant, N. Kiesel, M. Aspelmeyer, and J. I. Cirac, Optically levitating dielectrics in the quantum regime: Theory and protocols, PRA 83, 013803 (2011).

[5] M.Aspelmeyer, S.Gröblacher, K.Hammerer, and N.Kiesel, Quantum optomechanics- throwing a glance, J. Opt. Soc. Am. B 27, A189 (2010).

[6] J. Chan, T. P. M. Alegre, A. H. Safavi-Naeini, J. T. Hill, A. Krause, S. Groeblacher, M. Aspelmeyer, and O. Painter, Laser cooling of a nanomechanical oscillator into its quantum ground state,  Nature 478, 89, (2011).


Wissenschaftlicher Werdegang
  • 2003-2008
  • Physikstudium an der Universität Heidelberg
  • 2008-2009
  • Diplomarbeit in der Gruppe von Prof. Peter Schmelcher, Titel der Arbeit: \Inter-species Tunneling in One-dimensional Bose mixtures",
  • seit 2009
  • Doktorandin am Max-Planck-Institut fur Quantenoptik, Garching, in der Gruppe von Prof. Ignacio Cirac, Titel der Arbeit: \Complex quantum systems".

Publikationen (Auszug)
  • * Master-equation approach to optomechanics with arbitrary dielectrics. Anika C. P anzer, Oriol Romero-Isart, J. Ignacio Cirac Phys. Rev. A 86, 013802 (2012).
  • * Large Quantum Superpositions and Interference of Massive Nano-objects . Oriol Romero-Isart, Anika C. P anzer, Florian Blaser, Rainer Kaltenbaek, Nikolai Kiesel, Markus Aspelmeyer, J. Ignacio Cirac Phys. Rev. Lett. 107, 020405 (2011)
  • * Material-barrier Tunneling in One-dimensional Few-boson Mixtures. Anika C. P anzer, Sascha Zollner and Peter Schmelcher. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 42 (2009) 231002.