Laser zu verwenden, um Atome abzubremsen, ist eine Technik, die schon lange verwendet wird: Wenn man Tieftemperatur-Weltrekorde im Bereich des absoluten Temperatur-Nullpunkts erzielen möchte, greift man auf Laser-Kühlung zurück, bei der den Atomen mit einem passenden Laserstrahl Energie entzogen wird.

Seit Kurzem werden solchen Techniken auch auf kleine Teilchen im Nano- und Mikrometer-Bereich angewandt. Bei einzelnen Teilchen funktioniert das bereits recht gut – wenn man allerdings mehrere Teilchen gleichzeitig kühlen möchte, stellt sich das Problem als viel schwieriger heraus. Prof. Stefan Rotter und sein Team am Institut für Theoretische Physik der TU Wien haben nun eine Methode vorgestellt, mit der man auch in diesem Fall eine extrem effektive Kühlung erreichen kann.

Nicht nur ein Strahl, sondern ein ganzes Lichtmuster

„In der Laser-Kühlung von Atomen verwendet man nur einen ganz gewöhnlichen Laserstrahl. Für die Kühlung von Nano-Teilchen funktioniert dieser Ansatz jedoch nicht. Unser Trick besteht nun darin, die räumliche Struktur des Laserstrahls kontinuierlich an die Teilchenbewegung so anzupassen, dass zu jedem Zeitpunkt eine optimale Abkühlung erfolgt“, sagt Stefan Rotter. „Mit der Methode, die wir entwickelt haben, kann man sehr schnell berechnen wie dieses Lichtmuster aussehen muss. Während die Teilchen ihre Position verändern, passt man das Lichtmuster laufend an und kann die Teilchen somit kontinuierlich abbremsen“, ergänzt Jakob Hüpfl, der im Rahmen seiner Doktorarbeit an diesem Thema forscht.

Interessanterweise muss man zur Anwendung der neuen Methode nicht wissen, wo sich die Teilchen genau befinden – man muss nicht einmal wissen, um wie viele Teilchen es sich handelt und wie sie sich bewegen. Man sendet einfach nur Licht durch das System und misst, wie dieses Licht durch die Teilchen verändert wird. Daraus wird das optimale Lichtmuster ermittelt, mit dem die Teilchen im nächsten Augenblick bestrahlt werden müssen, um sie noch ein Stückchen weiter abzubremsen – bis ihre Bewegung schließlich „einfriert“. Bisher handelt es sich nur um eine theoretische Arbeit, aber Experimente dazu sind bereits in Planung.

Die Methode wurde nun in den Fachjournalen „Physical Review Letters“ und „Physical Review A“ präsentiert – hervorgehoben durch eine „Editors‘ Suggestion“ und durch einer Besprechung im Journal „Physics“ der American Physical Society, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

Die beiden Originalpaper

Hüpfl et al., Optimal Cooling of Multiple Levitated Particles through Far-Field Wavefront Shaping (2023).
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Rückfragehinweis

Prof. Stefan Rotter
Institut für Theoretische Physik
TU Wien
+43 1 58801 13618
stefan.rotter@tuwien.ac.at

Text: Florian Aigner