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Absoluter Nullpunkt

Kälter als die Quanten erlauben

Weniger als ein Fünftel der niedrigsten möglichen Energiemenge steckte noch im bisher am stärksten gekühlten Mikrobauteil. Möglich machen es gequetschte Mikrowellen.
Eine winzige Membran in dieser mikroskopischen Aufnahme.

Eine Arbeitsgruppe von US-Physikern hat mit "gequetschter" Strahlung ein 20 Mikrometer großes Bauteil über das Quantenlimit hinaus gekühlt. Das Team um John Teufel vom National Institute of Standards and Technology (NIST) wendete einen bei Gasen bereits erfolgreichen Trick auf einen so genannten Mikroresonator an – eine nur 100 Nanometer dicke Membran, die über einen supraleitenden Ring mit 20 Mikrometer Durchmesser gespannt ist. Zur Kühlung nutzte Teufels Team die so genannten Seitenbänder, um der Membran Energie zu entziehen. Diese Technik scheiterte bisher am Quantenrauschen der eingestrahlten Mikrowellenphotonen, das die Forscher durch so genanntes "Quetschen" reduzierten.

Die Arbeitsgruppe kühlte die Membran zuerst durch Laserkühlung auf das tiefste mögliche Schwingungsniveau – jene Restbewegung, die man aus quantenmechanischen Gründen nicht loswird. Das Bauteil kann wegen der quantisierten Zustände nur Photonen bestimmter Energien aufnehmen oder abgeben. Dieses Bauteil besitzt nahe dem absoluten Nullpunkt quantisierte Schwingungszustände, die ähnlich wie bei Gasatomen durch den Dopplereffekt Seitenbänder ausbilden: Die Membran schwingt aber vor und zurück, und der Doppler-Effekt verschiebt die Energien um winzige Beträge nach oben oder nach unten.

Strahlt man ein Photon mit der Energie des niedrigeren Seitenbandes ein, wird es absorbiert, obwohl seine Energie geringer ist als die der normalen Absorption. Die Membran aber gibt anschließend das Photon bei seiner normalen Energie wieder ab – und verliert so nach und nach Energie. Am Ende der Prozedur hatte die Mikrotrommel knapp ein Fünftel der Energie des eigentlich niedrigsten Zustandes. Das äußert sich in einer immer geringeren Amplitude: Die Frequenz bleibt gleich, die Schwingungen jedoch werden immer schwächer.

Bisher ist dieser bei Gasen als Seitenbandkühlung bekannte Effekt bei Festkörpern immer daran gescheitert, dass Quantenfluktuationen des Vakuums die Energie der Photonen schwanken lässt. Dadurch nimmt das zu kühlende Bauelement gelegentlich zusätzliche Energie auf – einfach weil versehentlich das höhere Seitenband angeregt wird statt das gewünschte niedrigere. Diese so genannte Stokes-Streuung minimierte Teufels Arbeitsgruppe durch "gequetschtes" Licht. Bei dem werden die Quantenfluktuationen so weit wie möglich unterdrückt, indem man dieses Rauschen auf andere Eigenschaften der Strahlung quasi umverteilt. Mit diesem Trick erreichte die Arbeitsgruppe eine Energie von 19 Prozent des eigentlich niedrigsten Niveaus – und noch tiefere Temperaturen seien theoretisch möglich, so Teufel.

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