Forschungsbericht 2019 - Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts

Licht kann Dinge bewegen

Autoren
Michael Reitz, Christian Sommer and Claudiu Genes
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Physik des Lichts, Erlangen
Zusammenfassung
Lichtteilchen (Photonen) besitzen normalerweise sehr wenig Energie und Impuls. Trotzdem können sie erfolgreich eingesetzt werden, um die Bewegung verschiedener Objekte zu steuern, von Molekülen bis hin zu Schwingungen kleiner Spiegel oder Membranen. Wir entwickeln theoretische Methoden, um zu zeigen, wie man Licht verwenden kann, um Schwingungen von Kernen in Molekülen auszulesen oder die Bewegung von Kristallspiegeln oder Membranen bis nahe an ihren Quantengrundzustand abzukühlen.

1827 beobachtete der schottische Botaniker Robert Brown durch ein Mikroskop, wie sich in einer Flüssigkeit suspendierte Pollenteilchen völlig zufällig bewegten. Erst 1905 entwickelte Albert Einstein hierzu eine vollständige mikroskopische Theorie. Diese geht davon aus, dass viele kleine Impulsstöße der umgebenden Wassermoleküle im Durchschnitt zu einer zeitabhängigen Kraft führen, die in zufällige Richtungen weist. Infolgedessen bewegen sich die Pollenteilchen ohne eine bestimmte bevorzugte Richtung in der Flüssigkeit. Gleichzeitig dämpfen die zufälligen Kollisionen mit der Umgebung die Bewegung des Teilchens: Wenn sich die Temperatur der Flüssigkeit erhöht, nimmt auch die Stärke der Diffusionsbewegung zu. Dies beschreibt einen Thermalisierungsprozess, bei dem sich die Bewegung des Pollenteilchens an seine Umgebung anpasst. Mathematisch wird ein solches Verhalten durch die sogenannte Langevin-Gleichung beschrieben.

Einer der Forschungsschwerpunkte unserer Gruppe am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts besteht darin, die Langevin-Gleichung auf die Quantenwelt zu übertragen. Ähnlich wie bei den Pollenteilchen in Flüssigkeiten können zum Beispiel die Schwingungen von Molekülen, die in kristalline Strukturen eingebettet sind, gedämpft werden. In diesem Fall geschieht dies über eine Wechselwirkung mit den kollektiven Schwingungen des Kristalls.

Abb. 1: (a) Optomechanischer Standardaufbau. Der feste Spiegel (links) kann auch ein photonischer Kristall sein oder aus einem Ensemble optisch gefangener Atome oder Moleküle bestehen, wie in (b) dargestellt. Laserlicht wird zum Auslesen der Bewegung verwendet, und das Ergebnis wird über eine elektronische Rückkopplungsschleife zurückgeführt, um viele Schwingungsmoden zu kühlen. (c) Die optische Reaktion eines Hohlraums, der einen Fano-Spiegel (blau) enthält, betrifft einen viel schmaleren Frequenzbereich als die eines üblichen Hohlraums. Sie ist zudem asymmetrisch, auf der linken Seite der Resonanz erreicht sie Null.

Auch Schwingungen größerer (makroskopischer) Objekte, wie mikrometergroße Spiegel, Membranen oder Nanopartikel, die in optischen Pinzetten schweben, können mit Licht gedämpft, also gekühlt werden. Aus technologischer Sicht ist dies häufig erwünscht. Zum Beispiel lassen sich kalte, vibrierende Objekte erfolgreich zur Messung von extrem kleinen Kräften, Verschiebungen oder Beschleunigungen einsetzen.

Eine besonders effiziente Anordnung zur Isolierung und Dämpfung einzelner Schwingungsmoden ist ein Hohlraumresonator (Abbildung 1a), in dem die Lichtteilchen zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert werden. Der Vorteil der Resonatoranordnung besteht darin, dass einzelne Photonen bis zu einer Million Mal oder mehr hin und her reflektiert werden, wodurch sich die Wirkung eines einzelnen Photons stark vergrößert.

In den letzten Jahren wurden verschiedene Techniken zur Kühlung makroskopischer Oszillatoren entwickelt, von denen zwei hervorzuheben sind: die aufgelöste Seitenband-Kühlung und die rückkopplungsunterstützte Kühlung (insbesondere die Cold-Damping-Technik). Beide Techniken nutzen eine Laserquelle, die eine große Anzahl von Photonen innerhalb des optischen Resonators bereitstellt. Im zweiten Fall wird die Resonatorleistung gemessen, und eine elektronische Rückkopplungsschleife sorgt dann für eine optimale Kühlkraft auf den Spiegel. Es ist hierbei seit langem bekannt und experimentell bewiesen, dass eine einzelne Rückkopplungsschleife eine einzelne Schwingungsmode, also eine Schwingung mit einer bestimmten Frequenz, kühlen kann. Eine direkte Erweiterung würde viele Rückkopplungsschleifen erfordern, um die thermische Energie aus vielen Schwingungsmodi zu extrahieren. Das würde jedoch einen großen experimentellen Aufwand bedeuten. Jüngste theoretische Fortschritte unserer Gruppe weisen nun darauf hin, dass unter bestimmten Bedingungen eine einzige Schleife ausreichen kann, um Energie über eine große Frequenzbandbreite zu extrahieren, was den Weg zur teilweisen oder vollständigen Kühlung makroskopischer Oszillatoren öffnet [1].

Abb. 2: Schematische Darstellung eines Hohlraums mit organischen Molekülen. Die Vergrößerung zeigt die Schwingungsniveaus der elektronischen Zustände und veranschaulicht die Physik bei Absorption und Emission eines Lichtteilchens.

Eine Alternative zur extern gesteuerten Rückkopplung ist ein Zeitverzögerungsmechanismus, der einen Resonator von hoher Güte erfordert. Bei dieser Technik nimmt die Amplitude des Lichtfeldes innerhalb des Hohlraums bei starker Bewegung des Spiegels zu und bei verlangsamten Vibrationen ab. Eine solche Technik erfordert extrem gute Spiegel mit einer Bandbreite, die kleiner als die Frequenz der mechanischen Schwingungsmode ist. Wir konnten zeigen, dass dies besonders effizient funktioniert, wenn man die festen Spiegel des Resonators durch reaktive Reflektoren ersetzt, deren Reflexionsvermögen stark von der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung abhängt [2]. Mögliche Realisierungen hiervon sind strukturierte Materialien, wie photonische Kristalle. Diese sind in Abbildung 1b) gezeigt und führen zu einer sogenannten Fano-Resonanz (Abbildung 1c).

Während auf der makroskopischen Ebene viele Photonen benötigt werden, um ein Schwingungsquantum zu kontrollieren, ist die Bewegung von Atomkernen in Molekülen ein Beispiel für einen Oszillator mit extrem kleiner Masse, der sich viel leichter anregen lässt. Wenn ein einzelnes Photon in einem Molekül einen Übergang zwischen zwei Elektronenzuständen aktiviert, reorganisieren sich die Kerne in eine neue Konfiguration: Es kommt folglich zu einer Kopplung zwischen den Elektronen und der Bewegung der Kerne (Abbildung 2). Der mathematische Werkzeugkasten, der vorher erfolgreich zur Beschreibung der Kühlung makroskopischer Objekte eingesetzt wurde, kann nun auf die Wechselwirkung von Molekülen und Licht übertragen werden. Unter anderem ist es uns hiermit gelungen, den sogenannten FRET-Prozess (Förster-Resonanz-Energietransfer zwischen Donor- und Akzeptormolekülen), der heute in der biomedizinischen Forschung und der Medikamentenentwicklung verwendet wird, zu beschreiben [3]. In den letzten Jahren entstand hierzu ein komplett neues Forschungsfeld, die molekulare Polaritonik. Sie befasst sich mit der Manipulation von Moleküleigenschaften durch Licht und verspricht neuartige chemische Reaktionswege oder effizienteren Energietransport.

Literaturhinweise

1.
Sommer, C., Genes, C.  
Partial optomechanical refrigeration via multi-mode cold damping feedback
Physical Review Letters 123, 203605 (2019)
2.
Cernotik, O., Dantan, A., Genes, C.
Cavity quantum electrodynamics with frequency-dependent reflectors
Physical Review Letters 122, 243601 (2019)  
3.
Reitz, M., Sommer, C., Genes, C.
Langevin approach to quantum optics with molecules
Physical Review Letters 122, 203602 (2019)

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