MassQ - Quantenphysik massiver Objekte

Das Experiment nutzt Techniken, wie sie für Gravitationswellendetektoren entwickelt worden sind. Zwei ca. 100 Gramm schwere Spiegel werden an dünnen Fasern als Pendel aufgehängt, damit sie ungestört von der Umgebung frei schwingen können. Laserlicht wird an einem Strahlteiler aufgeteilt, anschließend von den Spiegeln reflektiert und danach wieder überlagert, d.h. zur Interferenz gebracht. Die Intensitäten an beiden Ausgängen dieses Laserinterferometers werden mit Photodioden ausgelesen. Dadurch werden kontinuierlich zwei präzise Messungen vorgenommen: ein balancierter Homodyn-Detektor misst die Differenz der Abstände zum Strahlteiler; ein zweiter misst die Summe der Spiegelgeschwindigkeiten (in Form von Abstandsänderung mit der Zeit).

Im Labor: Jan Petermann arbeitet zusammen mit Torben Sobottke an der Umsetzung des MassQ Projekts.

Wichtig ist nun, dass eine Lichtintensität verwendet wird, die so hoch ist, dass die quantenmechanische Unschärfe des Lichtdrucks die Spiegelbewegung beeinflusst. In diesem Fall werden die Bewegungen der beiden Spiegel miteinander verschränkt. Ziel von MassQ ist es, anhand der Orte und der Geschwindigkeiten der beiden Spiegel das sogenannten Einstein-Podolsky-Rosen Paradoxon zu demonstrieren. Dafür müssen wir zeigen, dass die Orte und Geschwindigkeiten der Spiegel relativ zu einander sehr gut definiert sind, aber in Bezug zu unserem Labortisch die individuellen Spiegel sehr hohe Orts- und Geschwindigkeitsunschärfen haben.

Die Spiegel und die übrigen Optiken des Interferometers dürfen in ihren Bewegungen nicht von der Umgebung beeinflusst sein. Um Impulsüberträge durch Gasmoleküle zu vermeiden, befindet sich der Aufbau in einem Ultrahochvakuum (< 10-8 mbar). Sowohl die Spiegel als auch das restliche Interferometer sind an wenige Mikrometer dünnen Wolframdrähten aufgehängt. Schwierig ist es, alle Teile dennoch präzise zueinander anzuordnen, so dass das reflektierte Licht einen hohen Interferenzkontrast zeigt.

Um die Brownsche Bewegung der Spiegeloberfläche zu minimieren, wird das finale Experiment in einer Umgebungstemperatur von unter einem Kelvin betrieben. Das Laserlicht muss frei von Intensitäts- und Frequenzschwankungen sein. Dazu müssen wir das Licht stabilisieren. Um die benötigte Lichtleistung von mehreren Kilowatt zu erreichen, werden optische Resonatoren um den Aufbau gebaut, die die Lichtintensität im Inneren entsprechend ihrer Finesse überhöhen.

Wie auch in zukünftigen Gravitationswellendetektoren ist die große Herausforderung, zu verhindern, dass sich die Spiegel aufgrund von Lichtabsorption erwärmen. Die daraus resultierende Brownsche Bewegung der Spiegeloberfläche würde die Erzeugung der Verschränkung unmöglich machen. Die in MassQ erprobten Technologien erlauben daher möglicherweise auch eine Verbesserung der Sensitivität zukünftiger Gravitationswellendetektoren.

Im ersten Schritt des Projekts werden die Messungen nur an einem einzelnen Spiegel (mit einer Masse von 100 g) durchgeführt. Ziel ist es, einen quantenmechanisch limitierten Bewegungszustand zu realisieren, z.B. einen sogenannten kohärenten Zustand oder einen Zustand mit gequetschtem Quantenrauschen. Um eine zu schnelle Dekohärenz dieses Zustands zu vermeiden, müssen der Spiegel und das Interferometer so gut wie möglich von der Umwelt entkoppelt werden.

Dafür werden sowohl der Spiegel als auch das Interferometer an dünnen Wolfram-Drähten aufgehängt. Diese Pendel haben eine Eigenfrequenz von etwa einem Hertz. Die Schwingungsmode soll parametrisch gedämpft werden, d.h. die Höhe des Aufhängepunkts wird mit der doppelten Pendelfrequenz so variiert, dass mit jeder Schwingung dem Pendel etwas Energie entzogen wird („feedback cooling“).

Aus der zylindrischen Testmasse aus hochreinem Saphir sollen im nächsten Schritt würfelförmige Testmassen mit scharfen Kanten hergestellt werden. Die neue Form soll den mechanischen Verlust des Pendels reduzieren.

Aus praktischen Gründen kann zwar das Pendel auf diese Art nicht in den quantenmechanischen Grundzustand gebracht werden, aber seine Oberschwingungen bei ca. 300 Hz schon. Es soll beobachtet werden, wie der Zustand dieser Oberschwingung quasi heisenberg-limitiert durch den Phasenraum propagiert – getrieben durch die restliche Kopplung an das thermische Bad.

MassQ greift auf vielfältige Vorarbeiten im Kontext von Gravitationswellendetektoren zurück. Mit direktem Bezug zu MassQ wurde in unserer Arbeitsgruppe das Michelson-Sagnac-Interferometer und seine optomechanische Kopplung bereits mit einer Membran (an der Stelle des Substrats) bei kryogenen Temperaturen sowohl mit kohärenten als auch mit gequetschten Lichtzuständen studiert.

Der Versuch von Daniel Hartwig untersucht die parametrische Kühlung eines Pendels. Zentral im Bild ein würfelförmiger Spiegel aus poliertem Aluminium - jedoch kaum zu sehen: die hauchdünne Wolfram-Faden Aufhängung darüber. Diese variiert mit doppelter Pendelfrequenz und entzieht dem Pendel bei jeder Schwingung Energie.

Die parametrische Kühlung eines Pendels wird gerade in einem separaten Experiment im Rahmen einer Masterarbeit untersucht und optimiert. Parallel werden in unserer Arbeitsgruppe neue Spiegelbeschichtungen theoretisch und experimentell untersucht, die ein geringeres Brownsches Rauschen versprechen.