Physik

Phononenlaser ersetzen die Lichtanregungen (Photonen), die in einem Standardlaser verwendet werden, durch Schwingungsanregungen von Materie (Phononen). Forscher haben nun zwei Ionen dazu gebracht, einen Phononenlaser zu bilden, der weniger als 10 Phononen enthält, und ihn damit fest in das Quantenregime eingeordnet [1], während frühere Phononenlaser mindestens 10.000 Phononen hatten. Die Forscher planen, diesen Quanten-Phononen-Laser als Werkzeug zu nutzen, um die Rolle der Dissipation im Verhalten von Quantensystemen zu untersuchen.

Dissipation – Energie, die in Form von Wärme in ein System hinein oder aus einem System entweicht – wird in der Physik oft als störend empfunden, beispielsweise wenn sie in Form von Luftwiderstand auftritt und die Treibstoffeffizienz eines Autos oder Flugzeugs verringert. Aber auch Quantensysteme weisen Dissipation auf, und ihre Auswirkungen im Quantenbereich sind nicht vollständig verstanden. Jonathan Home von der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich und seine Kollegen wollten untersuchen, wie zwei separate Dissipationsquellen interagieren können, um das Verhalten eines Quantensystems zu beeinflussen. „Ein Laser ist das einfachste Quantensystem, das wir uns vorstellen können“, das solche Experimente ermöglicht, sagt Home.

Das Team konzentrierte sich auf die Verstärkung innerhalb eines Lasers. Bei einem herkömmlichen Laser erfolgt diese Verstärkung in einem festen oder gasförmigen Medium, dem Energie zugeführt wird, die in eine Vielzahl von Photonen umgewandelt wird. In der sogenannten Laserphase sind die Schwingungen dieser Photonen synchronisiert oder kohärent, was ein charakteristisches Merkmal eines Lasers ist. Diese Umwandlung von Energie aus einer klassischen Quelle in kohärente Photonen wird im Rahmen der umfassenderen Definition, die für Quantensysteme gilt, als eine Art Dissipation angesehen. Ein Laser verfügt also über zwei Dissipationskanäle, die konkurrierende Rollen spielen: den Prozess, durch den Energie eingepumpt wird, und den Prozess, durch den Photonen austreten. Wenn die Verstärkung stark genug ist, um die Leckage zu überwinden, sendet das System Laser aus und die Photonenzahl wächst, bis sie ein Plateau erreicht.

Home und sein Team nutzten die gemeinsame Schwingungsbewegung zweier ionisierter Atome – eines Kalzium- und eines Berylliumatoms –, um ihren Phononenlaser zu erzeugen. Die Atome könnten in ihrer elektrischen Feldfalle wie zwei gekoppelte Pendel hin und her schwingen. Unter Verwendung von Standardtechniken verwendeten die Forscher Laserlicht, um die Schwingungsamplitude des Zwei-Ionen-Systems zu erhöhen und zu verringern, was quantentechnisch gesehen das Hinzufügen oder Entfernen von Phononen bedeutet. Ein Strahlenpaar war darauf abgestimmt, dem Berylliumion Phononen hinzuzufügen, während ein anderes Paar darauf abgestimmt war, Phononen durch das Calciumion wegzunehmen.

Die beiden Laserpaare ermöglichten es Home und seinen Kollegen, jeden Ableitungskanal unabhängig zu steuern. Sie bestimmten die Anzahl und den Charakter der vorhandenen Phononen, indem sie die Fluoreszenz der Atome als Reaktion auf Laserbeleuchtung überwachten. Als das Team die relativen Stärken der beiden Dissipationskanäle variierte, durchlief das System einen Übergang von einer Phase, in der Phononen austraten, zu einer Laserphase, in der die Anzahl der Phononen nicht abnahm. In dieser Phase konnte das Team den kohärenten Zustand der Phononen erkennen und so beweisen, dass es einen echten Phononenlaser geschaffen hatte.

Die Ergebnisse liefern die erste experimentelle Verifizierung von Vorhersagen für einen Quanten-Phononen-Laser, und die Forscher sagen, dass sie Werkzeuge demonstriert haben, die ihnen bei der Erforschung exotischerer dissipativer Systeme helfen werden. Home plant beispielsweise die Entwicklung eines ähnlichen Systems, das einen sogenannten Squeeze-Laser-Quantenzustand erzeugen würde, der für die Sensorik oder für Quantencomputer nützlich sein könnte.

Diego Porras, ein theoretischer Quantenphysiker am spanischen Nationalen Forschungsrat, nennt das Experiment „fantastisch“ und fügt hinzu, dass es das erste Beispiel eines Quantensystems mit zwei Dissipationskanälen sei, bei dem ein derart hohes Maß an Kontrolle demonstriert werden könne. Tracy Northup, experimentelle Quantenphysikerin an der Universität Innsbruck in Österreich, sagt, dass ein Phononenlaser zwar wie ein sehr spezifisches System erscheinen mag, das Verständnis des Zusammenspiels zwischen den Ionen, ihrer Bewegung und der Dissipation jedoch allgemein auf viele Quantensysteme anwendbar ist. Sie sieht auch einen weiteren Vorteil der Ergebnisse. „Ich hoffe, dass diese [Arbeit] die Menschen daran erinnert, dass Ionen cool sind, nicht nur für den Bau von Quantencomputern, sondern auch für diese wirklich sehr schöne Steuerung, die nötig ist, um die zugrunde liegende Physik unterhaltsam zu sehen.“

–Katie McCormick

Katie McCormick ist eine freiberufliche Wissenschaftsautorin mit Sitz in Sacramento, Kalifornien.

T. Behrle, T. L. Nguyen, F. Reiter, D. Baur, B. de Neeve, M. Stadler, M. Marinelli, F. Lancellotti, S. F. Yelin und J. P. Home

Physik. Rev. Lett. 131, 043605 (2023)

Veröffentlicht am 28. Juli 2023

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