Die LIGO-Kollaboration berichtete, dass es ihnen gelungen ist, die 40-Kilogramm-Interferometerspiegel auf eine Temperatur von 77 Nanokelvin zu kühlen, indem sie mechanische Schwingungen in ihnen durch ein Rückkopplungssystem dämpfen. Die Autoren beschrieben ihre Ergebnisse anhand eines effektiven 10 Kilogramm schweren Objekts, bei dem nur etwa 11 Phononen angeregt wurden. Dieser Zustand massiver Spiegel entspricht einer Temperatur von 77 Nanokelvin. Die Ergebnisse der Arbeit können helfen, die Genauigkeit von Experimenten zur Suche nach Gravitationswellen zu erhöhen. Die Forschung wird in Science veröffentlicht.
Die Entwicklung der Quantenmechanik hat unser Verständnis davon verändert, was ein Ruhezustand bedeutet. So haben Physiker herausgefunden, dass im Mikrokosmos die Schwingungen von Objekten nie aufhören, egal wie viel Energie ihnen entzogen wird. Dieses Phänomen wird als Nullpunktsfluktuation bezeichnet und ist mit dem Heisenbergschen Unschärferelationsprinzip verbunden.
Bei Objekten vergleichbarer Größe mit dem Menschen sind solche Quanteneffekte aufgrund ihrer großen Masse unsichtbar. Unter normalen Bedingungen nehmen alle massiven Körper an einer kolossalen Anzahl von Schwingungsbewegungen teil, die oft mit Phononen beschrieben werden - Quanten der Schwingungsbewegung. Gleichzeitig wird die zunehmende Genauigkeit eines physikalischen Experiments in den letzten Jahren zunehmend mit dem Problem des durch Phononen verursachten Rauschens konfrontiert. Eines dieser Experimente war die Detektion von Gravitationswellen durch die LIGO-Kollaboration, bei der Phononen in 40 Kilogramm schweren Interferometerspiegeln, die im Vakuum aufgehängt sind, „Rauschen“machen. In diesem Fall ist es sehr wünschenswert zu lernen, wie man massive Objekte in den Zustand mit der kleinsten Phononenzahl (im Grenzzustand, in den Quantengrundzustand) überführt, und zwar durch Kühlung.
Nun haben Physiker und Ingenieure der LIGO-Kollaboration das Spiegelsystem mithilfe eines Feedback-Systems auf 77 Nanokelvin abgekühlt. Es basiert auf der Idee, dass die Schwingungen von hängenden Spiegeln aufgrund ihrer großen Masse bei relativ niedrigen Frequenzen auftreten und wenn ihre Geschwindigkeit und Position mit guter Genauigkeit gemessen werden, ist es möglich, Zeit zu haben, sie mit einer Kraft zu beeinflussen entgegen ihrer Bewegung, d. h. Schwingungen dämpfen. Die Autoren setzten diese Idee mit demselben Interferometer um, das es ihnen ermöglichte, Gravitationswellen durch die feinste Ablenkung von Spiegeln zu erkennen.
Schema eines Michelson-Interferometers zusammen mit einem Rückkopplungssystem, das die Auslenkung der Spiegel und die Einwirkungskraft auf sie erfasst. Der Schnitt zeigt die Aufhängung der Spiegel und deren Größe im Vergleich zur Körpergröße.
Physiker platzierten Goldelektroden parallel zu den Spiegeln, um elektrostatisch auf sie einzuwirken. Die Spannung an diesen Elektroden wurde unter Verwendung eines Rückkopplungssystems gesteuert, das die Position und Geschwindigkeit der Spiegel aus den Eigenschaften der durch das Interferometer hindurchtretenden Strahlung abliest. Es ist auch erwähnenswert, dass die Autoren alle Spiegel im System ihres Massenschwerpunkts berücksichtigten, wodurch sie durch ein Objekt mit einer effektiven Masse von zehn Kilogramm ersetzt werden konnten.
Um die Dämpfung von Schwingungen zu kontrollieren, veränderten Physiker die Parameter der Rückkopplung und untersuchten die Reaktion des Systems. Für die maximal mögliche Betriebsart erreichten sie einen Zustand, in dem durchschnittlich 11 Phononen im Objekt angeregt werden. Dies entspricht einer Temperatur von 77 Nanokelvin, während der reine Zustand, in dem keine Phononen vorhanden sind, einer Temperatur von 10 Nanokelvin zugeschrieben wird. Somit können die erhaltenen Ergebnisse als Rekord für die Reinheit eines Quantenzustands für massive Objekte angesehen werden.
Verschiebungsspektrum des Objekts für verschiedene Löschparameter. Der Einschub zeigt die durchschnittliche Anzahl von Phononen für jeden der Parameter, die gestrichelte Linie zeigt die Modellabhängigkeit und die Fehler sind grau dargestellt.
Die Autoren führten auch eine Modellierung der beschriebenen Prozesse durch. Seine Ergebnisse zeigten Übereinstimmung mit experimentellen Daten, mit Ausnahme einer leichten Abweichung im Bereich einiger Frequenzen, die Physiker auf den Einfluss des Teils der Faser zurückführten, an dem die Spiegel aufgehängt sind. Besonderes Augenmerk wurde auf die Abrechnung und die Bekämpfung von Fehlern gelegt, darunter die Auswirkungen von Quantenrückwärtsbewegungen und Ungenauigkeiten im Rückkopplungssystem.
Wissenschaftler stellen fest, dass ihre Arbeit den Weg für das Studium massiver Objekte in reinen Quantenzuständen ebnet. Insbesondere Zustände mit einer Phononenzahl von null werden nützlich sein, um die Genauigkeit der Gravitationsinterferometrie zu verbessern sowie das Problem der Gravitationsdekohärenz in großen Körpern zu untersuchen.
Manifestationen der Gesetze der Mikrowelt in massiven Körpern werden zunehmend experimentell gefunden. Zuvor zeigte dieselbe Zusammenarbeit, dass ihre Spiegel von Quantenfluktuationen beeinflusst werden, und mehreren anderen wissenschaftlichen Gruppen gelang es, zwei Makroobjekte zu verwechseln und zu messen.
