9.5 Schwingende Spiegel — Markus Aspelmeyer (Uni Wien)

Quelle: Themenpool §9

Forschungsgebiet: makroskopische Quantenoptomechanik (Forschungsfeld, das Licht und einen sicht-/greifbar großen mechanischen Körper quantenmechanisch koppelt, um Quanteneffekte an makroskopischen Objekten zu erzeugen). Ein winziger Spiegel wird an einer Aufhängung mit Laserlicht bis fast zum absoluten Nullpunkt abgekühlt (in den Quantengrundzustand). Dann kann dieser makroskopische Spiegel in einer Superposition zweier Schwingungszustände sein. Bedeutung: Test der Grenze zwischen Quanten- und klassischer Physik und mögliche Hinweise auf Gravitation auf Quantenebene.

✎ Der aufgehängte Spiegel ist im Kern ein mechanischer Oszillator — er schwingt hin und her wie eine Masse an einer Feder (vgl. das Hooke'sche Gesetz). Ein klassischer Oszillator kann ruhen; ein Quanten-Oszillator behält selbst am absoluten Nullpunkt seine Nullpunktsenergie (siehe §9.7) und „zittert" immer — deshalb kühlt man ihn in den Grundzustand, nicht in völligen Stillstand. „Ein makroskopisches Objekt in einer Schwingungs-Superposition" ist genau das Experiment an der Grenze von Quanten- und klassischer Welt.

✎ Wie „kühlt" Laserlicht einen Spiegel? Licht übt Strahlungsdruck aus (jedes Photon trägt Impuls). Stimmt man den Laser passend ab, nimmt das Licht bei jeder Reflexion dem Spiegel ein wenig Schwingungsenergie ab — die Schwingungsquanten werden portionsweise „abgesaugt", bis nur noch die Nullpunktsbewegung (der Quantengrundzustand) übrig ist. Derselbe Laser kann die Bewegung des Spiegels auch hochpräzise auslesen — genau das meint der Begriff „Optomechanik": Kopplung von Licht und mechanischem Oszillator.

✎ Warum liefert das Hinweise auf Gravitation auf Quantenebene? Anders als ein einzelnes Atom hat der Spiegel nennenswerte Masse — groß genug, dass sein Gravitationsfeld prinzipiell messbar ist. Bringt man eine solche Masse in eine Superposition zweier Zustände: Ist dann auch ihr Gravitationsfeld „in Superposition"? Muss die Gravitation quantisiert werden? Bisher hat kein Experiment diese Frage je erreicht, weil Quanteneffekte immer nur an mikroskopischen Teilchen sichtbar waren, deren Gravitation unmessbar klein ist. Aspelmeyers makroskopische Superpositionen könnten „Quanten + Gravitation" erstmals gemeinsam ins Labor bringen.

✎ Fangfrage: Widerspricht das nicht der Dekohärenz (§9.4) — verliert ein makroskopisches Objekt seine Kohärenz nicht „praktisch augenblicklich"? Kein Widerspruch, sondern genau der Punkt: Man muss das System extrem isolieren (Ultrahochvakuum, tiefste Temperaturen, Erschütterungsschutz), um die Dekohärenz so weit wie möglich zu verlangsamen — nur dann hält ein makroskopisches Objekt seine Superposition kurzzeitig durch. Zugleich testet das Experiment, ob Dekohärenz nur ein praktisches Hindernis ist oder ob es eine fundamentale Obergrenze gibt (etwa die Vermutung, dass die Gravitation selbst den Kollaps verursacht) — genau das heißt „die Grenze Quanten/Klassik vermessen".