CooLQuanD: Kühlung von Levitierten Quanten-Spin-Diamanten

Die Welt, in der wir uns täglich bewegen, scheint den Gesetzen der klassischen Physik zu gehorchen. Wenn wir jedoch in die Welt der atomaren Teilchen eintauchen, müssen wir die Quantenmechanik zur Beschreibung der Natur heranziehen. Die Erforschung von solchen quantenmechanischen Systemen hat zu zahlreichen technologischen Fortschritten geführt. Einige Beispiele sind medizinischen Bildgebungsverfahren, Lasertechnologien oder die Entwicklung eines sehr genauen globalen Positionierungssystems. Unabhängig davon bleibt die Frage wie sich die Natur am Übergang zwischen der klassischen und der atomare Welt verhält großteils unbeantwortet. Wissenschaftler rund um die Welt versuchen der Antwort zu dieser Frage auf die Spur zu kommen und haben hierfür Systeme entwickelt, die durch aktive Kühlung von der klassischen in die quantenmechanische Domäne gebracht werden können. Ein vielversprechendes System benutzt hierzu in Vakuum schwebende mikroskopische Teilchen, die herkömmlich unerreichte Isolation von der Umgebung bieten und gleichzeitig präzise Kontrolle der mechanischen Bewegung ermöglichen. In unserem Projekt CooLQuanD: Kühlung von Levitierten Quanten-Spin-Diamanten werden wir dieses optomechanische System zusätzlich mit intrinsischen Quantenspinteilchen ausstatten und dadurch in ein starkes hybrides System verwandeln. Hierfür nützen wir Farbzentren in Diamanten. Diese beherbergen elementare Spinteilchen, welche sich, ähnlich wie in einem atomare System, gut kontrollieren lassen. Das geplante hybride System eine experimentelle Plattform die in Österreich noch nicht etabliert ist kann in Zukunft eine quantenmechanische Kopplung zwischen den intrinsischen einzelnen Spinteilchen und der mechanischen Bewegung des schwebenden Nanodiamanten ermöglichen. Dies hätte weitreichende Konsequenzen für die Untersuchung von fundamentalen Fragestellungen derQuantenmechanik, sowie für die Entwicklung von Quantensensoren und Quantentechnologien. Bis heute ist es jedoch nicht gelungen, dieses hybride System in die quantenmechanische Domäne zu bringen. Mit dem CooLQuanD Projekt möchten wir einen wichtigen Schritt in Richtung dieses Zieles setzen, indem wir Techniken zur Kontrolle der externen und internen Temperatur der schwebenden Diamanten in hohem Vakuum erforschen und implementieren. Die externe Temperatur wird über die Wechselwirkung mit einer aktiv gekühlten und mitgefangenen mikroskopischen Siliziumkugel gekühlt werden. Die interne Temperatur planen wir über Laserkühlen, welches die interne Struktur der Farbzentren ausnützt, zu reduzieren. Zusätzlich werden die intrinsische Quantenteilchen als lokaler Temperatursensor dienen und dadurch zur Realisierung von optimierte Kühlprozesse beitragen. Wir erwarten, dass unsere Forschung neue Quantenexperimente ermöglichen wird und einen wichtigen Beitrag für zukünftige quantenmechanische verbesserte Sensoren, die Erforschung von nicht klassische Bewegungszuständen oder Tests von Quantengravitation liefern wird.

Das Rätsel, wie sich die Natur an der Grenze zwischen der Quantenwelt und der klassischen Welt verhält, ist nach wie vor ungelöst. Ein vielversprechender Zugang besteht darin, gut isolierte und präzise steuerbare mesoskopische Systeme zu entwickeln und Quanteneffekte in diesen nachzuweisen. Unter den weltweit verfolgten Ansätzen zeichnen sich im Vakuum levitierte Teilchen durch ihre außergewöhnliche Entkopplung von der Umgebung sowie durch die präzise Steuerung ihrer mechanischen Bewegung bis zum quantenmechanischen Grundzustand aus. In unserem ESPRIT Projekt "CooLQuanD: Kühlung von levitierten Quanten Spin Diamanten" haben wir dieses System zusätzlich mit intrinsischen Quantenspinteilchen ausgestattet und dadurch in ein vielseitiges hybrides System verwandelt. Diese sogenannten Farbzentren beherbergen elementare Spins - gut steuerbare Quantenzustände, die sich ähnlich wie atomare Systeme verhalten - und ermöglichen es, die Dynamik einzelner Spins mit der Bewegung eines levitierten Diamant Nanoteilchens zu koppeln. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die Untersuchung fundamentaler Fragestellungen der Quantenmechanik sowie für die Entwicklung von Quantensensoren und Quantentechnologien. Das Erreichen des Quantenregimes mit diesem hybriden System bleibt jedoch eine große Herausforderung. CooLQuanD hat auf diesem Weg wichtige Schritte gesetzt und zentrale Fähigkeiten des hybriden Systems im Hochvakuum etabliert. Wir haben die mechanische Bewegung levitierter mesoskopischer Diamanten mittels Laserstreuung und elektrischer Rückkopplung auf effektive Temperaturen von wenigen Kelvin gekühlt und die Teilchen stabil bei Drücken unter 510^-7 mbar levitiert. Zudem haben wir eine kohärente Spinkontrolle der Farbzentren in der Teilchenfalle implementiert und die direkte Auslese der Gittertemperatur der Diamanten über die eingebetteten Spins als lokale Sensoren realisiert. Somit haben wir die Voraussetzungen für fortgeschrittene Spin mechanische Experimente geschaffen. Unsere Arbeit bildet die Basis für die Entwicklung von quantenverbesserten Sensoren, für die Erzeugung nichtklassischer Bewegungszustände sowie für Laborexperimente, die die Quantenmechanik auf mesoskopischen Skalen untersuchen.