Schwingungsdämpfung mittels Laserkühlung in der Mikromechanik

Lichtdruck bremst thermisch vibrierenden Ausleger

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Das Kühlen freier Atome und Moleküle mittels des Lichtdrucks der Laserstrahlung ist seit 20 Jahren Stand der Technik. Nunmehr übertragen Experimentatoren das Prinzip auf ein mikromechanisches Bauteil – einen frei oszillierenden Ausleger – dem sie kinetische Energie entziehen. Eine mögliche Anwendung ist die Nanotechnik mit Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopen, eventuell sogar Detektoren für Gravitationswellen, die insbesondere Supernovae abstrahlen.

Schon lange vor Einsteins Lichtquantenhypothese war dank der Maxwell-Gleichungen bekannt, dass Licht nicht nur Energie, sondern auch einen Impuls überträgt, dieser Impulsübertrag ist gleich dem Energieinhalt, geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit.

Der Impuls der Photonen lässt sich zum Abbremsen und somit zum Kühlen freier Atome nutzen, also zur Dämpfung ihrer Brownschen Molekularbewegung; ein Übersichtsartikel zweier damals noch zukünftiger Nobelpreisträger über die Laserkühlung erschien im Jahr 1990 in der Zeitschrift Physics Today, siehe Teil 1, Teil 2 und Teil 3. Inzwischen ist es möglich, Atome mit Laserlicht bis auf 20 Nanokelvin zu kühlen.

a) Eine Glasfaser leitet das rote Licht eines Helium-Neon-Lasers mit 633 nm Wellenlänge in eine Ultrahochvakuumkammer. b) Sowohl das Endstück der Glasfaser als auch der winzige Ausleger aus Silizium sind mit einer Goldschicht verspiegelt. Die Resonanzfrequenz des 460 nm dicken Schwingers beträgt 7,3 kHz. Die Dichte der zwischen den beiden Spiegeln gespeicherten Photonen variiert mit ihrem Abstand. (Bild: Khaled Karrai, LMU München)

Das Prinzip der Laserkühlung lässt sich von Atomen auf die Mikromechanik übertragen, eine Arbeitsgruppe von Physikern an der Uni München kühlte so einen winzigen Ausleger, sie berichten ihre Ergebnisse in der Ausgabe vom 23.12.2004 der Zeitschrift Nature auf Seite 1002 in Band 432. Auch hier dämpft der Lichtdruck thermische Schwingungen analog der Brownschen Molekularbewegung freier Atome, das heißt, er entzieht dem Ausleger kinetische Energie. Die verbleibende Restenergie entspricht beim derzeitigen Aufbau einer Temperatur von 18 Kelvin, die Forscher sind sich jedoch sicher, die Temperatur noch um einige Größenordnungen senken zu können – theoretisch sind Werte deutlich unter 100 Mikrokelvin möglich.

Das Laserlicht lässt sich über eine endliche Zeitspanne zwischen zwei nahezu parallelen Spiegeln hin und her reflektieren, also speichern. Die Dichte der Photonen hängt ab von Abstand der beiden Spiegel voneinander. Die eingesperrten Photonen im Zwischenraum üben auf die Spiegel einen Druck aus, was sich jedoch nur auf den beweglichen Ausleger auswirkt. Wegen der Änderung des Abstands variiert wiederum die Photonendichte. Der Lichtdruck beeinflusst die Bewegung des Auslegers und diese wiederum die Leckage der Photonen. Der Ausleger hat eine endliche Masse, ist also träge, er reagiert verzögert, so dass auf den Ausleger eine bremsende Netto-Kraft wirkt, die zu seiner Geschwindigkeit proportional ist.