Halbleiterkühlung Laser stoppt Schwingungen

Koji Usami bei der Arbeit in den Quantop-Labors
Koji Usami bei der Arbeit in den Quantop-Labors

Der Begriff »Quantencomputer« klingt aufregend, und es erfolgen ständig neue Erfolgsmeldungen. Bei aller Euphorie sollte man jedoch nicht übersehen, dass diese neuen Rechnertechnologien, was die Rechenleistung anbelangt, heute nicht einmal Konrad Zuses »Z3« das Wasser reichen können, dafür jedoch etwa so viel Platz benötigen, wie IBMs »BlueGene/P« im Vollausbau. Grund für beides sind die aufwändigen Lasersysteme nebst der notwendigen Kühlung. Zumindest letzteres Problem könnte ein Forschungserfolg des Niels-Bohr-Instituts in Kopenhagen lösen.

Laserkühlung ist an sich nichts Neues, allerdings war das Verfahren bislang auf Gase oder bestenfalls Atomstrahlen begrenzt. Grundlage dafür ist die Tatsache, dass Photonen, obwohl meist als masselos angenommen, einen Impuls übertragen können (siehe Abschnitt »Gase kühlen«). Auch in den quantenoptischen Laboratorien der Forschungsgruppe »Quantop« am Niels-Bohr-Institut kam diese Vorgehensweise zum Einsatz. Mit Hilfe fokussierter Laser konnten etwa Cäsium-Gaswolken auf eine Temperatur nahe des absoluten Nullpunkts bei -273°C gekühlt werden. Dabei werden quantenmechanische »Spezialitäten« ausgenutzt, etwa verschränkte Spins und eine quantenphysikalische »Verbindung« mehrerer Gaswolken. Verfahren der Quantenoptik erlauben es dann, Schwankungen des Spins der Atome zu messen.

Der Zufall hilft

Im Jahr 2009 brachte Peter Lodahl, heute Professor und Leiter der Forschungsgruppe Quantenphotonik am Niels-Bohr-Institut, während einer Vorlesung die Optomechanik einen entscheidenden Schritt voran. Er zeigte eine spezielle Kristallmembran aus dem bekannten Halbleitermaterial Galliumarsenid (GaAs), was Eugene Polzik auf die richtige Spur brachte. Eine solche Membran oder Folie sollte künftig bei den optomechanischen Experimenten berücksichtigt werden. Auch dies stellte sich als nicht so einfach heraus, da die Abmessungen genau stimmen mussten. Es dauerte immerhin ein Jahr, bis ein passender photonischer Kristall zurechtgeschnitten war.

Assistenzprofessor Søren Stobbe beschreibt das Ergebnis so: »Es gelang uns, eine Nanomembran zu erzeugen, die auf einer Fläche von 1 mm2 lediglich 160 Nanometer dick war. Davor hätte es niemand für möglich gehalten, ein so großes und dünnes Stück herzustellen«.

Die Nanomembran wird in einer Vakuumkammer mit dem Laserlicht beleuchtet. Beim Auftreffen auf die Membran wird ein Teil des Lichts reflektiert und fällt auf einen Spiegel, der es wieder zurückwirft. So entsteht ein optischer Resonator, in dem sich das Licht hin und her bewegt. Ein Teil des Lichts wird von der Membran absorbiert und setzt dort Elektronen frei. Diese erwärmen die Membran, was zu einer Ausdehnung (thermische Expansion) führt. Auf diese Weise ändert sich ständig die Resonatorlänge; der Abstand zwischen Membran und Spiegel fluktuiert also.

Koji Usami, Research Associate Professor, erläutert den Mechanismus: »Diese Veränderung des Abstands sorgt für faszinierende Interaktionen zwischen der Bewegung der Membran, den Eigenschaften des Halbleiters und den optischen Resonanzen. Das System lässt sich steuern, so dass die thermische Bewegung immer geringer wird und sich so das Ganze abkühlt. Hierbei handelt es sich um einen bislang unbekannten optomechanischen Vorgang, der im Mittelpunkt der neuen Entdeckung steht. Es ist paradox, dass die Membran zwar als Ganzes ein wenig wärmer wird, bei einer bestimmten Oszillationsfrequenz jedoch abkühlt. Der Kühlvorgang lässt sich per Laser regeln. Wir kühlen also durch Erwärmen. Es gelang uns, die Membran-Fluktuationen auf -269°C herunterzukühlen«.

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So funktioniert die Nano-Mebran

Laser stoppt Schwingungen

Das begeistert wiederum Professor Polzik, der von möglichen Anwendungen träumt: »Die Optomechanik könnte Kühlmechanismen in Quantencomputern den Weg bereiten. Außerdem könnte die effiziente Kühlung mechanischer Fluktuationen von Halbleitermembranen mittels Licht die Entwicklung neuer Sensoren für elektrischen Strom und mechanische Kräfte vorantreiben. Eine solche Kühlmethode könnte in einigen Fällen die teure kryogenische Kühlung überflüssig machen und so äußerst empfindliche Sensoren ermöglichen, deren Auflösung nur noch von Quantenfluktuationen begrenzt ist«.