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.

Die Quantenmechanik ist die bislang präziseste experimentell überprüfte wissenschaftliche Theorie. Sie hat nicht nur unser Verständnis der Natur vertieft, sondern auch Technologien ermöglicht, die wir im Alltag nutzen, zum Beispiel Smartphones, Hochgeschwindigkeitsinternet und das Globale Positionsbestimmungssystem (GPS). Jedoch macht die Quantenmechanik Vorhersagen in Bereichen, die in modernen Physiklaboren noch nicht zugänglich sind, was zu weiterhin offenen Fragen führt. Zum Beispiel: Gelten die Gesetze der Quantenmechanik auch für dichte, massive Objekte, die aus Milliarden von Atomen bestehen? Ist die Quantenmechanik notwendig, um Gravitation auf mikroskopischer Skalen zu beschreiben? Im Vakuum levitierte Nanopartikel bieten eine vielversprechende experimentelle Plattform, um diese Fragen zu untersuchen. Darüber hinaus könnten Experimente mit levitierten Partikeln die Grundlage für zukünftige technologische Fortschritte legen. In diesem Projekt haben wir Methoden zur Kontrolle zweier zentraler Eigenschaften levitierter Nanopartikel untersucht: ihrer inneren Temperatur und der Amplitude ihrer Schwerpunktsbewegung. Um diese hybride Kontrolle levitierter Partikel zu erreichen, arbeiteten wir mit Nanopartikeln auf Basis von Ytterbium-dotiertem Yttrium-Lithium-Fluorid (Yb:YLF), die eine gleichzeitige Manipulation sowohl ihrer Bewegung als auch ihrer inneren Temperatur ermöglichen. Wir entwickelten Techniken, um diese Partikel in Ionenfallen im Vakuum zu fangen, und ihre Schwerpunktsbewegung mithilfe eines messbasierten elektrischen Feedbacks zu stabilisieren. Zudem beobachteten wir die ersten Hinweise einer optischen Kontrolle der inneren Temperatur der Partikel, d. h. Erwärmung und Kühlung mit Laserlicht. Die innere Temperatur kann über das Fluoreszenzsignal der Partikel überwacht werden, und wir haben Fluoreszenzspektren gemessen, die mit der Laserkühlung ihrer inneren Freiheitsgrade vereinbar sind. Außerdem zeigten unsere Experimente, dass die Kontrolle der Rotation der Partikel entscheidend ist, um lange Fangzeiten aufrechtzuerhalten, die für zukünftige Quantenexperimente unerlässlich sind. Wir fanden auch heraus, dass die Rotationsbewegung eine Schlüsselrolle bei der optischen Kontrolle der inneren Temperatur spielt und verstanden und kontrolliert werden muss, um eine effiziente interne Kühlung zu erreichen. Die Entwicklung von Methoden zur Kontrolle und Stabilisierung dieser Rotationsbewegung ist daher ein wichtiger nächster Schritt und bleibt ein aktiver Schwerpunkt unserer laufenden Forschung. Eine gleichzeitige Kontrolle von Bewegung und innerer Temperatur levitierter Partikel würde neue Möglichkeiten für Experimente an der Grenze zwischen mikroskopischer und makroskopischer Physik im Quantenregime eröffnen und Forschende der Überprüfung der Quantenmechanik in völlig neuen Bereichen näherbringen.