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Quantensprünge bei der Vibration

Physiker der Universität von Boston haben experimentell bestätigt, dass winzige mechanische Schwinger unter gewissen Umständen nicht kontinuierliche, sondern ruckartige Schwingungen ausführen. Dazu müssen die Schwinger mit sehr hohen Frequenzen vibrieren und zudem extrem kalten Temperaturen ausgesetzt sein. Die Studie der Forscher ist in dem Fachmagazin Physical Review Letters (Band 94, Seite 030402) abgedruckt.

Zum Nachweis der ruckartigen oder gequantelten Bewegungen eines nur wenige Nanometer großen Schwingers mussten Alexei Gaidarzhy und seine Kollegen aus Boston eine ganze Reihe von Hürden überwinden. Zwar lässt sich selbst mit einfachen mathematischen Methoden der Quantenmechanik zeigen, dass winzige mechanische Oszillatoren nicht in „klassischer“ Weise kontinuierliche Schwingungsbewegungen ausführen, sondern sich nach den Regeln der Quantenmechanik ruckartig bewegen, da sie nur eine endliche Anzahl von Positionen des Schwingers erlaubt.

Dies experimentell nachzuweisen, ist allerdings für mit modernen Fabrikationsverfahren hergestellte mechanische Nanoschwinger sehr schwierig, da diese je nach Größe aus mehreren Tausend oder sogar Millionen Atomen bestehen. Um quantenmechanische Effekte in den Oszillationen nachweisen zu können, müssen die Schwinger zum einen sehr starr sein, so dass sie mit sehr großen Frequenzen vibrieren, und zum anderen auf Temperaturen in der Umgebung des absoluten Nullpunkts abgekühlt werden.

Der von dem amerikanischen Team hergestellte Schwinger bestand aus einem mit Gold überzogenen Siliziumbalken, an dessen beiden Seiten kleine Paddel mit einer Fläche von etwa 500 mal 200 Nanometer befestigt waren (siehe Bild). Wenn diese Anordnung unter Strom gesetzt und zusätzlich einem Magnetfeld ausgesetzt wurde, begannen die Paddel mit einer Frequenz von ungefähr einem Gigahertz zu schwingen.

Die Forscher kühlten in ihrem Experiment dieses Objekt auf etwa 110 Millikelvin ab. Dabei beobachteten sie, dass die Bewegungen der Paddel tatsächlich nicht mehr kontinuierlich, sondern in Sprüngen erfolgten. Obwohl die Amplituden der Paddelschwingungen dabei nur wenige Femtometer betrugen (den Millionsten Teil eines Millionstel Millimeters), ließ sich dies mit einer cleveren Methode indirekt nachweisen: Die Bewegungen der Paddel regten den Balken, an dem sie aufgehängt waren, selbst zu Schwingungen einer viel größeren Amplitude an. Somit musste nur dessen Bewegung untersucht werden, und die Forscher konnten tatsächlich zeigen, dass die Nanobewegungen gequantelt waren.

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Stefan Maier
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