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Forscher kühlen einen schwebenden Glas-Nanorotor in zwei Rotationsfreiheitsgraden gleichzeitig auf seinen Quantengrundzustand der Rotation.
Die Quantenmechanik lehrt uns, dass ein Teilchen niemals vollkommen stillstehen kann. Doch wie genau lässt es sich ausrichten? Ein Forschungsteam der Universität Wien hat nun gemeinsam mit Kollegen der TU Wien und der Universität Ulm die Rotationsbewegung eines schwebenden Nanorotors bis in seinen quantenmechanischen Grundzustand abgekühlt – und das gleich in zwei Achsen. In Nature Physics zeigen sie nun, wie man die Ausrichtung des Teilchens optisch bis an die Grenzen der Quantenfluktuationen kühlen kann, also so gut wie es durch Heisenbergs Unschärferelation vorgegeben ist. Diese quantenbegrenzte Ausrichtung ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Materiewelleninterferometrie in Rotationsfreiheitsgraden und die Basis für quantenlimitierte Drehungssensoren.
Rotation am Quantenlimit
In unserer Alltagswelt wackeln und rotieren kleine Teilchen ständig mit thermischer Energie, und die Temperatur ist ein Maß für diese Bewegung. Während die klassische Physik behauptet, dass es möglich sein sollte, Teilchen auch bis zum Stilltand und in perfekter Ausrichtung abzukühlen, sagt die Quantenmechanik voraus, dass jedes Teilchen immer eine endliche Energie beibehält und immer ein wenig desorientiert bleibt, selbst wenn es der Temperatur des absoluten Nullpunkts eingeschlossen ist.
Wenn ein Glasrotor von intensivem Licht im Ultrahochvakuum gefangen ist, verhält er sich wie ein nahezu perfekt isolierter harmonischer Oszillator, der sowohl im Schwerpunkt als auch im Winkel hin und her schwingen kann: ein perfektes Pendel und Torsionspendel zugleich. Wenn dieser Rotor nun auf weniger als ein Zehntausendstel Grad Celsius oberhalb des absoluten Nullpunkts abgekühlt wird, kann seine Energie nicht mehr kontinuierlich verändert werden, sondern nur mehr in diskreten, quantisierten Energiestufen. Diese sind grundlegend durch einen Quantengrundzustand begrenzt, eine endliche Energie auch bei absoluter Nulltemperatur. Eine Abkühlung in den Quantengrundzustand der Schwerpunktsbewegung wurde bereits zuvor im Team um Uroš Delić und Markus Aspelmeyer an der Universität Wien gezeigt (Science 2020). Die Kühlung der Rotationsbewegung hat sich als weitaus herausfordernder erwiesen und wurde bisher nur in einer Dimension im Team um Lukas Novotny an der ETH Zürich demonstriert (Nat. Phys. 2025).
In den neuen Experimenten, geleitet von Markus Arndt (Universität Wien), Uroš Delić (TU Wien) und Benjamin Stickler (Universität Ulm), wird nun ein nanomechanische Hantel, bestehend aus zwei Siliziumkugeln mit 150 nm Durchmesser, vom elektrischen Feld des Lasers eingefangen und ausgerichtet, wie durch eine unsichtbare Feder. Anfangs zeigt der eingeschlossene Glasrotor noch thermische Winkeloszillationen, die als Libration bekannt sind. Die optische Kühlung senkt seine Temperatur dann auf einige zehn Mikrokelvin über dem absoluten Nullpunkt, wo die Energiequantisierung relevant wird und das Teilchen auf die niedrigste dieser Energien, den Quantengrundzustand, abgekühlt wird. In dieser Studie wird erstmals die quantenbegrenzte Ausrichtung der Rotororientierung in zwei Dimensionen erreicht, wobei diese Richtung mit etwa 20 μrad fundamental unbestimmt bleibt.
"Die Spitze des Rotors bewegt sich dann weniger als ein Hundertstel des Durchmessers eines einzelnen Atoms", sagt Stephan Troyer, Ersttautor der Studie. "Das ist wie eine Kompassnadel, die besser ausgerichtet ist als die Breite eines Bakteriums."
Ein neues Fenster in die Quantenwelt
Die Fähigkeit, die Rotation mit dieser Genauigkeit zu kontrollieren, ist mehr als nur ein neuer Rekord im Labor: Sie ist eine Voraussetzung für eine neue Generation von Quantentechnologien. Während die meisten Quantenexperimente heute einzelne Atome, Ionen oder Moleküle verwenden, sind die gläsernen Nanorotoren massiv. Sie bestehen aus etwa 100 Millionen Atomen und sind dennoch begrenzt durch die Quantenphysik.
Ein rotierendes Teilchen habt interessante Eigenschaften: Nach jeder vollen Drehung befindet es wieder in derselben Ausrichtung. Quantenmechanisch werden aber ungewöhnliche Phänomene vorhergesagt, die es in der linearen Bewegung nicht gibt: Wenn das Fallenlicht ausgeschaltet wird, kann der Nanorotor in alle Richtungen gleichzeitig in eine Quantenüberlagerung der Orientierung rotieren. Wenn sich das Teilchen dann ungestört entwickelt, verliert es die Definition seiner Ausrichtung zunächst vollständig, bevor sie nach einer definierten Zeit wiederbelebt wird. Dies wäre eine neue Form der Materiewelleninterferometrie. Diese Zeit bis zur Interferenz der Rotationszustände soll im Labor zugänglich werden, wenn die Objektgröße auf den Maßstab eines Tabakmosaikvirus verkleinert wird, etwa 100-mal leichter als in der vorliegenden Arbeit gezeigt.
"Das Schöne an unserer 2D-Kühlmethode ist, dass sie über Skalen hinweg funktioniert", sagt Stephan Troyer. "Die Kühlung ist für größere Körper einfacher, aber wenn wir unsere Techniken auf kleinere Strukturen anwenden, hoffen wir, diese rotatorische Quanteninterferenz beobachten zu können. Dies ist ein interessantes System, um die Schnittstelle zwischen Quantenphysik und Phänomenen unseres Alltags zu erforschen."
Diese Quantentechnologie ermöglicht zudem verbesserte Messungen: Ein kalter Nanorotor ist ein äußerst empfindlicher Detektor für winzige Drehmomente.
Wie es funktioniert: Intensives Licht kann die Bewegung kühlen
Um diese extrem niedrigen Temperaturen zu erreichen, verwenden die Forscher kohärente Streukühlung. Die Nanopartikel werden mit einer beachtlichen Lichtintensität von 100 MW/cm² eingeschlossen und streuen dieses Licht in einen optischen Resonator. In diesem Prozess kann ein einzelnes gestreutes Photon ein einzelnes Quantum mechanischer Energie aus der Rotation des Teilchens in das optische Resonatorfeld transportieren, und damit den Rotor kühlen.
Zusammenfassung:
• Was erreicht wurde: Zum ersten Mal haben Forscher zwei Rotationsachsen eines eingeschlossenen Siliziumnanopartikels auf seinen Quantengrundzustand abgekühlt.
• Präzision: Die Ausrichtung des Teilchens kühlte auf 20 μK und eine Orientierung von 20 μrad, nahe den fundamentalen Grenzen der Quantenphysik.
• Zukunft: Die neue Plattform bildet die Grundlage für zukünftige Materiewellen-interferometrie in der Rotation und für Tests der Quantenphysik an der Schnittstelle zu klassischen Phänomenen.
• Anwendungen: Die Systeme sind vielversprechend für quantenunterstützte Drehmomentmessung mit Anwendungen in der Trägheitsnavigation und Materia-l forschung.
Über die Universität Wien:
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Das Experiment wurde maßgeblich gefördert von
• Office of Naval Research Global (ONRG), grant N62909-23-1-2029
• Austrian Academy of Sciences (ÖAW), ESQ Discovery Project (S. Troyer)
• Carl-Zeiss Foundation, QPhoton project (B. A. Stickler)
• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), grant 510794108 (B. A. Stickler)
• Austrian Science Fund (FWF), grant 10.55776/STA175 (U. Delić)
Das Experiment ist eingebettet in
• Vienna Doctoral School for Physics, VDSP
• Vienna Center for Quantum Science and Technology, VCQ
Univ.-Prof. Dr. Markus Arndt
Gruppe Quantennanophysik
Fakultät für Physik, Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
+43-1-4277-51210
markus.arndt@univie.ac.at
http://www.quantumnano.at
Prof. Dr. Benjamin A. Stickler
Institute for Complex Quantum Systems
& Center for Integrated Quantum Science and Technology
Ulm Universität
89069 Ulm, Albert-Einstein-Allee 11
+49 731 50-22820
benjamin.stickler@uni-ulm.de
Stephan Troyer, Florian Fechtel, Lorenz Hummer, Henning Rudolph, Benajmin A. Stickler, Uroš Delić & Markus Arndt, 'Quantum ground-state cooling of two librational modes of a nanorotor', Nature Physics 8. April (2026).
DOI: 10.1038/s41567-026-03219-1
Ein Glas-Nanorotor wird von einer optischen Pinzette (rot) in einem optischen Resonator (blau) einge ...
Copyright: University of Vienna/Stephan Troyer
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Chemie, Physik / Astronomie
überregional
Forschungs- / Wissenstransfer, Forschungsergebnisse
Deutsch
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