Mit Schwung in die Quantenwelt

Schwingende Nanokügelchen

Einige Arbeitsgruppen hatten bereits Erfahrung mit Nanokügelchen, die in einer optischen Falle gefangen sind. Ein solche Falle besteht aus einem scharf fokussierten Laserstrahl. Dieser wirkt wie eine Pinzette aus Licht, mit der sich kleine Objekte festhalten lassen. In der Biologie kommen optische Fallen beispielsweise zum Einsatz, um innerhalb von Zellen bestimmte Zellbestandteile zu fixieren. Doch wenn man eine solche Apparatur nutzt, um schwingende Nanokügelchen festzuhalten, ergibt sich ein geringerer Gütefaktor. Er ist um Größenordnungen kleiner als das theoretische Optimum – und liegt auch deutlich unter dem von aufgehängten Nanomembranen. Der Grund dafür ist, dass die Lichtstreuung durch den Laserstrahl die Schwingung des Nanokügelchens dämpft. Und dieser störende Effekt lässt sich auch nicht einfach beseitigen.

„Unsere Innovation bestand darin, stattdessen eine sogenannte Ionenfalle zu nutzen“, stellt Dania fest. Diese experimentelle Vorrichtung arbeitet nicht mit Laserstrahlen, sondern mit elektromagnetischen Feldern und dient eigentlich dazu, einfache Ionen – also elektrisch geladene Atome oder Moleküle – festzuhalten. Doch auch ein elektrisch geladenes Nanokügelchen lässt sich in einer solchen Falle einschließen. Der große Vorteil besteht darin, dass eine Ionenfalle keine Streueffekte hervorruft, die die Schwingung des Nanokügelchens dämpfen könnten. „Der Oszillator, den wir gebaut haben, ist schlicht ein elektrisch geladenes, gläsernes Nanokügelchen, das in der Ionenfalle rund tausendmal pro Sekunde von unten nach oben und wieder zurück schwingt“, erklärt Lorenzo Dania.

Das Nanokügelchen erfährt also weder eine optische Streuung, noch verliert es Energie über eine Aufhängung. Allerdings: Es gibt Energie an die Luftmoleküle ab, mit denen es zusammenstößt. „Um sehr hohe Gütefaktoren zu erreichen, mussten wir deshalb unsere Experimente mit dem Kügelchen in einer Vakuumkammer durchführen und dort ein möglichst starkes Ultrahochvakuum erzeugen“, berichtet der Züricher Forscher.

Innovation mit Hindernissen

Doch das ist leichter gesagt als getan. Es gibt zwar eine Reihe spezieller Hochleistungspumpen fürs Labor, mit denen sich ein Ultrahochvakuum erzielen lässt. Aber sie kommen normalerweise nicht beim Einfang von Nanokügelchen zum Einsatz. Denn so winzige Partikel werden üblicherweise in Fallen eingeschleust, indem man sie aus einer Flüssigkeit freisetzt, die Wasser und Ethanol sowie weitere Lösungsmittel enthält. Diese Stoffe lassen sich jedoch nur schwer mit herkömmlichen Pumpen entfernen.

Das Forschungsteam musste sich also eine andere Herangehensweise überlegen. „Wir haben deshalb eine wasserfreie Methode entworfen, um die Nanokügelchen in die Falle bugsieren zu können“, sagt Dania. Dazu nutzten er und seine Teamkollegen die sogenannte Laser-induzierte akustische Desorption. Bei dieser Technik trifft ein starker aber sehr kurzer Laserpuls auf ein Deckglas, auf dem die Nanokügelchen festsitzen. Der energiereiche Laserblitz ruft akustische Schockwellen auf dem Deckglas hervor, woraufhin Nanokügelchen von dessen Oberfläche freigesetzt werden. Die winzigen Kugeln flitzen dann in alle möglichen Richtungen davon. „Wenn wir dann die Ionenfalle einschalten, können wir einige von ihnen einfangen – und zwar für lange Zeit“, erläutert Dania. Auf diese Weise sind Speicherdauern von vielen Monaten möglich.

Dank dieser wasserfreien Methode konnten die Züricher ETH-Wissenschaftler eine Kombination von Pumpen einsetzen, wodurch schließlich ein Ultrahochvakuum von weniger als einem Zehnmilliardstel Hektopascal entstand. Der normale Atmosphärendruck beträgt rund ein Bar oder 1.000 Hektopascal – ist also um das Zehnbillionenfache größer. Bei einem derart niedrigen Druck gibt es kaum noch Luftmoleküle der Vakuumkammer, die die Bewegung des Nanokügelchens stören können.

Ein Molekülstoß pro Schwingung

„Bei jeder Schwingung kollidiert das Kügelchen nur noch mit ungefähr einem Luftmolekül“, sagt Dania. „Daher ist der Gütefaktor sehr hoch und beträgt gegenwärtig rund zehn Milliarden.“ Dann schwingt das Kügelchen tagelang beinahe ungestört. Dieser Gütefaktor ist rund hundertfach besser als bei bisherigen Experimenten mit freischwebenden Nanokügelchen und vergleichbar mit dem Energieverlust bei den derzeit besten Experimenten mit starr aufgehängten Nanooszillatoren. Allerdings bietet das frei schwingende Nanokügelchen noch weiteres Verbesserungspotenzial – vor allem bei noch tieferem Druck. Die Forscher gehen davon aus, dass der Gütefaktor dieses Systems noch um etwa den Faktor Zehn besser werden kann.

Mit einem solchen System ließe sich bereits die Quantenphysik einer neuartigen Prüfung unterziehen. Die Nanokügelchen sind zwar winzig – mit einem Durchmesser von nur rund 300 Nanometern (millionstel Millimetern). Dennoch bestehen sie aus Milliarden von Atomen und sind damit deutlich größer als typische Quantensysteme.

Dennoch gilt: Wenn man das Schwingungsverhalten solcher, relativ großer Systeme auf mögliche Quanteneigenschaften abklopft, lassen sich schon einige theoretische Ansätze zur Interpretation der Quantenphysik experimentell testen. Sogenannte Kollapsmodelle etwa sagen vorher, dass ab einer bestimmten Systemgröße keine Quantenmerkmale mehr auftreten. Die Milliarden Atome in einer Nanokugel könnten das widerlegen, wenn sie sich in eine quantenartige Schwingung versetzen ließen – und nicht nur wie bisher in eine normale Schwingung. Dank des hohen Gütefaktors wären sehr langlebige Quantenschwingungen und damit einzigartige Tests möglich.

Neuer Blick auf die Gravitation

Ein solcher Nanooszillator ließe sich aber auch verwenden, um sehr schwache Kräfte zu messen. „Wir und andere Physiker planen bereits, ein oder mehrere schwingende Nanokügelchen dafür zu nutzen, die Schwerkraft auf der Nanometerskala zu überprüfen“, sagt Dania. Das Ziel ist also nicht nur, Quanteneigenschaften von makroskopischen Objekten nachzuweisen, sondern überdies zu sehen, ob auch die Gravitationskraft selbst Quanteneffekte aufweist. Nanooszillatoren könnten solche Tests zum ersten Mal ermöglichen. Denn typische Quantenteilchen wie Elektronen sind viel zu leicht, um Schwerkrafteffekte messen zu können. An schwingenden Nanokügelchen dagegen wäre es vielleicht möglich.

Doch diese Pläne sind noch ein Stück weit Zukunftsmusik. „Ich denke, in rund fünf Jahren könnte es klappen, ein freischwebendes Partikel in einen Quantenzustand zu versetzen“, meint Dania. „Und vielleicht in zehn Jahren könnte es ein miniaturisiertes Planetensystem aus zwei Nanopartikeln geben.“ Damit ließe sich dann nach den Quanteneigenschaften der Gravitation suchen – eine faszinierende Vorstellung. Was wohl Albert Einstein dazu gesagt hätte, der die Quantentheorie stets skeptisch betrachtete?