Hoe groot of hoe zwaar mag een voorwerp zijn, voordat het zijn kwantumeigenschappen verliest en zich gedraagt volgens de wetten van de klassieke fysica? Met deze vraag houden zich wereldwijd veel onderzoeksgroepen bezig. De beantwoording hapert op dit moment wegens gebrek aan instrumenten, die in staat zijn om, zoals bij grote objecten, de verwachte extreem kleine kwantumeffecten aan te tonen. Een nieuw systeem zou hier kunnen helpen.
Het systeem is ontwikkeld door medewerkers van het Laboratorium voor fotonica van het Max-Planck-Institut voor kwantumoptica in Garching. Het lukte de wetenschappers om bij een chip-resonantor van een paar micrometer de optische en mechanische golven, die gewoonlijk tegengesteld zijn, onafhankelijk van elkaar te optimaliseren. Het microsysteem biedt de combinatie van wereldwijd de beste optische en mechanische coherentie eigenschappen. De bereikte gevoeligheid kan zowel worden benut voor fundamenteel onderzoek als om het kwantumgedrag bij tastbare micrometergrote objecten waar te nemen. Maar het zou ook kunnen dienen voor verdere verbetering van de frequentie- en tijdstandaard.
Betekenis
Het is het eerste voorbeeld, waarin optische en mechanische vrijheidsgraden in een systeem met de grootte van een microchip gestuurd kunnen worden. Voor het eerst hebben de onderzoekers mechanische kwaliteiten, die overeenkomen met die van de nano- en micro-elektronica, met de hoogste waarde voor optische kwaliteit gecombineerd. Dit is een belangrijke stap op weg naar een ver doel: kwantumeffecten bij macroscopische trillingssystemen waarnemen.
Maar de nieuwe kennis is ook praktisch te benutten. Mechanische kwartstrillingskristallen worden overal in de wetenschap en techniek toegepast. De sleutel voor verdere verbeteringen van oscillatoren voor tijdmeting, zowel in horloges als bij atoomklokken, is het verliesmechanisme hiervan precies te begrijpen.
De micro-resonator van glas (blauw) combineert de beste eigenschappen uit de wereld van de optiek en de mechanica. Aan de ene kant slaat het fotonen op, die in de buitenste ring meer dan 100.000 keer rond cirkelen voordat ze weer uittreden. De uiteindelijk uittredende fotonen maken het mogelijk om de mechanische trillingen in de resonator extreem nauwkeurig te meten. Op grond van de geoptimaliseerde verbinding van de glasstructuur met de siliciumchip (zwart/rood) met vier nano-spraken lukt het, de mechanische trillingen zeer goed van de omgeving te ontkoppelen. Opgewekte trillingen kunnen hierdoor wel tot 80.000 keer oscilleren voordat ze wegvallen.
Grondslagen
Aan het begin van de afgelopen eeuw formuleerde de fysicus Werner Heisenberg de grondslag van de kwantummechanica. Daarna zijn mechanische bewegingen principieel gekwantificeerd, te beginnen bij de microscopische beweging van elektronen om de atoomkern tot aan het macroscopisch gedrag van objecten van onze alledag. Pas in 1986, meer dan zestig jaar later, lukt het om de kwantumsprongen van aparte elektronen (die tot de karakteristieke spectrumlijnen voeren) direct waar te nemen. Weer tien jaar later maakte de vooruitgang in de lasertechniek en kwantumoptiek het mogelijk om niet klassieke bewegingstoestanden ook aan aparte, geïsoleerde ionen waar te nemen. Dit is nog 100.000 keer moeilijker dan bij elektronen.
De fundamentele vraag bleef echter nog open: waarom volgen nog grotere objecten, zoals we ze elke dag zien, niet de wetten van de kwantummechanica, maar gedragen zich daarentegen klassiek?
Van micro naar macro
In de gebruikelijke voorstellingen verhindert de zogenaamd de decoherentie de waarneming van kwantumeffecten bij macroscopische objecten. Dat houdt in, dat het ’thermische bad’ (dat wil zeggen de wisselwerking met de omgeving) het kwantumgedrag van individuele systemen stoort en uiteindelijk vernielt.
Deze individuele systemen zouden zich, geïsoleerd beschouwd, volgens de wetten van de kwantummechanica moeten gedragen. Tot nu toe zijn kwantumeffecten bij oscillatoren, met mesoscopische (grijpbare) maten die miljoenen atomen omvatten, niet bekeken. Daarvoor is namelijk de combinatie nodig van een goed geïsoleerd mechanisch systeem en een coherent uitleessysteem, waarvan de gevoeligheid in staat is kwantumeffecten waar te nemen.
Trillingskristallen van kwarts, die bijvoorbeeld in horloges worden gebruikt, hebben een hoge mechanische coherentie en voldoen daarmee aan het eerste criterium. De elektrische trillingskringen, die nodig zijn voor het uitlezen van de mechanische trillingen, zijn echter onvoldoende gevoelig. Het aantonen van eventueel optredende kwantumeffecten op deze manier is dan ook praktisch niet mogelijk.
Verschillende onderzoeksgroepen proberen om mechanisch sterk coherente systemen te combineren met kwantumoptische methoden, die een zeer hoge gevoeligheid bezitten. Hierbij moet nog het probleem opgelost worden, dat de eisen voor mechanische en optische coherentie vaak in tegenfase verlopen.
Op één chip
Een groep van het Max-Planck Instituut voor Kwantummechanica was voor het eerst in staat, wereldwijd de beste optische en mechanische coherentie eigenschappen op een enkele chip-resonator samen te brengen. De wetenschappers gebruiken in een experiment op silicium chips geplaatste toroïdevormige glasresonatoren met een doorsnede van ongeveer 75 µm. Deze worden geproduceerd in de schone ruimten van de Ludwig-Maximilians-Universiteit München (LMU). Via een nano-glasvezel wordt dan het licht in de toroïde gekoppeld.
Het bijzondere is de wijze van het systeem voor de nauwe koppeling van optische en mechanische trillingen. Het systeem kan licht (fotonen) opslaan, als deze golflengte passend is, dat wil zeggen verhoudingsgewijs in een geheel getal ten opzichte van de omvang van de resonator staat. De mechanische trillingen modelleren de omvang en spiegelen zich daarom in de optische resonantie frequentie. Van de andere kant oefenen de omlopende fotonen een kracht uit op de resonator in radiale richting.
Sleutel
Op grond van verschillende factoren ondervinden de mechanische eigenschappen van de resonator wrijving verliezen, die de koppeling aan de omgeving en daarmee de decoherentie beslissend beïnvloeden. Hierbij speelt de mechanische ophanging van het systeem een belangrijke rol. De experimenten tonen aan, dat ze de verschillende trillingsmodes van de toroïde op een gecompliceerde manier aan elkaar en aan omgeving kunnen koppelen. Het begrip van deze koppeling was de sleutel, om wrijvingsverliezen te begrijpen.
Deze verliezen konden uiteindelijk in belangrijke mate worden verminderd doordat de toroïde met behulp van nanospraken van glas op de chip werd bevestigd. Door optimalisering van de geometrie, (verandering van de lengte en dikte van de spraak) kon men de eigenschappen van de resonator zo op maat snijden, dat de demping met de factor duizend werd gereduceerd.
De zo geoptimaliseerde micro-toroïde kan fotonen gedurende meer dan 100.000 omlopen vasthouden, voordat deze door de invloed van de omgeving wegvallen. Gelijktijdig voeren ze dood 80.000 mechanische trillingen uit voordat deze onder invloed van de omgeving wegvallen. In deze vorm kan men een systeem vergelijken met een kwartsoscillator die in plaats van met elektrische stroom met licht wordt aangestuurd en met een optische resonator-trillingskring worden uitgelezen.
