Kühlung von Partikeln mit inneren Freiheitsgraden

Die Quantenmechanik ist die bis heute am genauesten getestete wissenschaftliche Theorie, welche nicht nur unser Verständnis der Natur revolutioniert, sondern auch zu der Entwicklung alltäglicher Technologien wie Smartphones, Hochgeschwindigkeitsinternet und GPS (Global Positioning System) beigetragen hat. Allerdings macht die Quantenmechanik auch Vorhersagen über Parameterbereiche welche selbst in modernsten Physiklaboren noch nicht erreichbar sind. Aus diesem Grund gibt es immernoch grundlegende physikalische Fragen welche noch nicht beantwortet sind. Wie zum Beispiel: Ist die Quantenmechanik für massive Objekte bestehend aus Milliarden von Atomen immer noch gültig? Bedarf es einer quantenmechanischen Beschreibung der Gravitation auf mikroskopischer Ebene? Um diese Fragen zu erforschen bieten freischwebende Nanopartikel im Vacuum eine erfolgsversprechendene experimentelle Platform um diese Fragen zu beantworten. Die im Rahmen dieser Untersuchungen gemachten Experimente und Erkenntnisse könnten dabei den Grundstein für zukünftige technologische Fortschritte legen. Zwei entscheidendeParameter fürquantenmechanische Experimente mit schwebenden Nanopartikeln istdie Schwerpunktsbewegung dieser Nanopartikel sowie deren innere (Festkörper)Temperatur. Im ersten Fall ist die Dämpfung der Translationsbewegung ein essentieller Schritt um das Quantenregime zu erreichen. Im zweiten Fall ist die interne Temperatur eine mögliche Störquelle welche Experimente im Quantenregime behindern kann. Im Rahmen dieses Projekts wird die Dämpfung der Translationsbewegung und die Reduzierung der Festkörpertemperatur von Partikeln mit internen Freiheitsgraden untersucht. Der Fokus liegt hierbei auf Partikeln bestehend aus dotierten Materialien und Halbleiter-Quantenpunkten. Die freischwebenden Partikel werden mittels einer linearen Paulfalle räumlich lokalisiert. Solch eine Falle ist eine geometrische Anordnung von Elekdroden die elektrische Felder erzeugt, womit geladene Teilchen zum schweben gebracht werden können. Das Ziel den internen Freiheitsgrad sowie gleichzeit auch die Translationsbewegung zu kühlen wird durch zwei Ansätze erforscht. Einmal wird der interne Freiheitsgrad der Partikel genutzt um beide Prozesse zu kühlen. In dem anderen Ansatz wird eine Hybrid-Kühlung eingesetzt, mit welcher einerseits die Energie der Bewegungsmoden durch aktive Rückkopplung, als auch die Festkörpertemperatur mit Hilfe der internen Freiheitsgrade reduziert wird. In Experimenten mit schwebenden Nanopartikeln haben sich Paul Fallen als sehr vorteilhaft erwiesen, da ihre Fähigkeiten die Partikelbewegung räumlich zu begrenzen nicht von den optischen Eigenschaften der Partikel abhängt. Somit ist es möglich den Kühlprozess der Partikel unabhänging von deren Fangprozess zu untersuchen. Mit Hilfe der internen Freiheitsgrade zielt das Projekt darauf ab erstmals beide Kühlprozesse gleichzeitig zu beobachten und eröffnet somit die Möglichkeit zu Quantenexperimenten mit neuartigen Nanopartikeln.