Optomechanik untersucht die Wechselwirkung zwischen mechanischen Elementen und elektromagnetischen Feldern. Physikern der Universit?t Regensburg ist es gelungen, die Bewegung einer Kohlenstoff-Nanor?hre, also eines einzelnen Makromoleküls, an einen Mikrowellenresonator zu koppeln – in einem neuartigen, miniaturisierten optomechanischen System. Dabei nützt die Arbeitsgruppe von PD Dr. Andreas K. Hüttel die Ladungsquantisierung, d.h., da? Strom durch einzelne tunnelnde Elektronen getragen wird, als Verst?rkereffekt aus. Die Ergebnisse sind in Nature Communications erschienen; sie weisen einen vielversprechenden neuen Weg auf, wie man verschiedenste Quantentechnologien auf einem Chip kombinieren kann.
Die Schwingungen eines Makromoleküls, wie einer Kohlenstoff-Nanor?hre, an ein Mikrowellenfeld zu koppeln, ist normalerweise schwierig. Warum? Weil typische elektromagnetische Wellenl?ngen, die für Experimente in der Quanteninformationsverarbeitung oder Festk?rper-Quantenelektrodynamik verwendet werden, im Millimeterbereich liegen. Ein typisches Nanor?hren-Bauelement, als mechanischer Resonator, aber auch als Falle für einzelne Elektronen, ist jedoch weniger als einen Mikrometer lang, mit mechanischen Auslenkungen im Nanometerbereich. {web_name}e weit unterschiedlichen Gr??enordnungen führen dazu, da? die Nanor?hre das elektromagnetische Feld kaum beeinflu?t; die Kopplung, die hier erwartet wird, ist minimal.
Erreichen und Kontrollieren der optomechanischen Kopplung einer Nanor?hre, ohne sie dabei zu gro?en, unkontrollierten Schwingungsamplituden anzuregen, ist dennoch aus vielerlei Gründen interessant. Eine Kohlenstoff-Nanor?hre ist ein fast perfekter Saitenresonator, der mechanische Energie lange speichern kann; ihre Schwingungen k?nnten dazu verwendet werden, Information zwischen unterschiedlichen Quantensystemen zu transferieren und zu übersetzen. Und sowohl einzelne Elektronen im Festk?rper als auch supraleitende Mikrowellenschaltkreise z?hlen zu den weltweit favorisierten Quantencomputer-Architekturen.
Das Regensburger Experiment, kürzlich als Open-Access-Artikel ver?ffentlicht, zeigt, da? die Wechselwirkung zwischen mechanischer Schwingung und elektromagnetischem Feld um einen Faktor 10000 verglichen mit einfachen geometrischen Modellen verst?rkt werden kann. Dazu wird die sogenannte Quantenkapazit?t verwendet: Elektrischer Strom wird durch einzelne Elektronen getragen, was hei?t, da? ein sehr kleiner Kondensator – wie eine Nanor?hre – nicht kontinuierlich, sondern in Stufen aufgeladen wird. Durch die richtige Wahl des Arbeitspunkts auf der Stufenfunktion kann die optomechanische Kopplung kontrolliert und schnell geschaltet werden.
?Wir haben jetzt ein sogenanntes dispersiv gekoppeltes optomechanisches System – neuartig und spannend durch die Einzelelektroneneffekte, aber andererseits auch gut erforscht, da weltweit sehr viele theoretische und experimentelle Arbeiten zu gr??eren (bis hin zu makroskopischen) optomechanischen Systemen existieren“, so Dr. Hüttel, momentan als Gastprofessor an der Aalto Universit?t, Espoo, Finnland. ?Die Kopplung kann zum D?mpfen der Schwingung verwendet werden, zu hochempfindlicher Bewegungsdetektion, zum Verst?rken von kleinen Signalen, oder sogar zur Synthese beliebiger Quantenzust?nde. Unsere Messungen zeigen, da? die quantenmechanische Kontrolle der Nanor?hren-Schwingung in absehbarer Zukunft erreichbar ist. Damit werden Kohlenstoff-Nanor?hren auf eine weitere Weise interessant, als ?Schaltzentrale‘, die die Kombination verschiedenster Quanteneffekte erm?glicht.“
?Quantum capacitance mediated carbon nanotube optomechanics“
S. Blien, P. Steger, N. Hüttner, R. Graaf, und A. K. Hüttel
Nature Communications 11, 1636 (2020)
www.akhuettel.de (externer Link, ?ffnet neues Fenster)
andreas.huettel@ur.de