EIN MILLIGRAMM-ROTOR, DER STILLHÄLT, WEIL MAN IHN BEOBACHTET

In den vergangenen zwanzig Jahren hat die Physik gelernt, mechanische Objekte nahe an ihren Quantengrenzen zu kontrollieren – von nanoskaligen Resonatoren, die Femtogramm wiegen, bis zu den mehrere Kilogramm schweren Spiegeln der Gravitationswellendetektoren. Doch fast alle davon sind Oszillatoren: Etwas, etwa eine Feder, zieht sie zur Mitte zurück. Das einfachste System der Quantenmechanik, das freie Teilchen, an dem nichts zurückzieht, hat sich einer solchen Kontrolle widersetzt. Bei den niedrigen Frequenzen, bei denen sich freie Bewegung abspielt, übertönen Reibung und Rauschen aus der Umgebung alles.

Dabei sind freie Massen genau das, was mehrere große Fragen brauchen: testen, ob die Schwerkraft quantenhaft ist, vorgeschlagene Änderungen der Quantenmechanik prüfen, nach neuen Kräften kurzer Reichweite suchen.

Ein Spiegel an einem Glasfaden

Umang Mishra, Teodor Strömberg, Onur Hosten und ihr Team am Institute of Science and Technology Austria bauten das Testobjekt: einen 1 Milligramm schweren Spiegelstab aus Quarzglas, 2 Millimeter lang, an einer Quarzglasfaser von 15 Zentimetern Länge und 1 Mikrometer Dicke, in einem Vakuum unter 10⁻¹⁰ Millibar. Streng genommen ist es ein Torsionspendel, das alle 15 Sekunden einmal hin- und herschwingt. Doch auf den Zeitskalen, die hier zählen, einigen zehn Millisekunden, spürt es diese Rückstellkraft kaum: Es verhält sich wie ein freies Objekt.

Seine Isolation ist extrem. Das Team maß die zufälligen Drehmomente, die ihn anstoßen, und fand kein Rauschen über das hinaus, was eine Dämpfungsrate von nur 7 Nanohertz erzeugen würde. Als Beschleunigungsmesser eingesetzt, wäre die Spitze des Stabs fast hundertmal empfindlicher als die besten bisherigen Experimente bei dieser Masse.

Um ihn zu beobachten, lenkt ein „doppelter optischer Hebel“ zwei Laserstrahlen in entgegengesetzten Richtungen vom Spiegel ab, sodass sich ein Wackeln des Lasers selbst aufhebt und nur die Drehung des Stabs übrig bleibt. Ein dritter Strahl kann den Stab mit dem Druck des Lichts anschieben. Der gesamte Aufbau steht auf einer seismischen Isolationsplattform, und ein kleines Interferometer mit einem eigenen hängenden Spiegel verfolgt jede Restbewegung dieser Plattform.

Messung statt Falle

Die Kernidee: Kontinuierliche Messung kann die Falle ersetzen. Ort und Geschwindigkeit eines sich selbst überlassenen freien Objekts werden immer unsicherer. Wird es ununterbrochen gemessen, enthüllt sich seine Bahn laufend, und unser Wissen über seinen Zustand pendelt sich bei einer stabilen, endlichen Unschärfe ein. Hier stabilisiert sich diese Unschärfe in etwa 26 Millisekunden.

Diese verbleibende Unsicherheit lässt sich in eine Temperatur umrechnen, über die Lehrbuchdefinition, die Temperatur mit Entropieänderungen verknüpft. Diese „entropische Temperatur“ gibt an, wie genau die Bewegung des Rotors bekannt ist, und erlaubt es, freie Objekte mit Oszillatoren zu vergleichen.

Das Team fing den Stab mit Licht ein, ließ ihn los und zeichnete seinen Winkel in 100 Abschnitten von je 1,25 Sekunden auf. Zwei Arten, seinen Zustand zu rekonstruieren, wurden verglichen: eine „kausale“ Schätzung, die nur vergangene Messungen nutzt, und eine „geglättete“, die auch die danach erfolgten Messungen einbezieht. Der Unterschied zwischen beiden lieferte eine neue Möglichkeit zu prüfen, wie gut der Zustand wirklich bekannt ist.

140 Nanokelvin

• Allein aus vergangenen Daten entspricht der Zustand des Rotors 1,2 Mikrokelvin.
• Mit Glättung sinkt der Wert auf 140 Nanokelvin – 140 milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Das ist etwa zwei Größenordnungen kälter als frühere Tischexperimente mit mechanischen Objekten. Die Autoren merken an, dass solche Systeme damit in den ultrakalten Bereich vorstoßen, der bisher vor allem mit Atomwolken verbunden war, die durch Verdampfung abgekühlt werden. Konventionelle Rückkopplungskühlung hätte diesen Wert nicht erreichen können.

Es gibt eine Untergrenze. Für diesen Isolationsgrad sagt das Modell voraus, dass die Temperatur nicht unter etwa 15 Nanokelvin fallen kann: Nach Heisenbergs Unschärferelation verwischt eine immer feinere Messung der Position die Drehgeschwindigkeit immer stärker.

Wozu eine ruhige freie Masse taugt

Zwei Anwendungen bieten sich sofort an. Manche Theorien verändern die Quantenmechanik so, dass die Quantenunschärfe spontan kollabiert, was jedem Objekt ein schwaches, zufälliges Zittern hinzufügen würde. Die gemessene Ruhe des Rotors schließt einen neuen Bereich dieser Modelle bei niedrigen Frequenzen aus, ergänzend zu den Grenzen, die die Weltraummission LISA Pathfinder gesetzt hat.

Die zweite Anwendung ist die Schwerkraft. Ob die Schwerkraft zwei Massen verschränken kann, ist eine zentrale offene Frage. Nach der Gütezahl des Teams würden zwei solche Rotoren beim Verhältnis zwischen Erzeugung und Verlust von Verschränkung schon jetzt jedes bisher demonstrierte System um fast zwei Größenordnungen übertreffen, blieben aber weit vom Ziel entfernt. Ein bescheidener optischer Resonator zum Auslesen der Drehung würde, so schreiben die Autoren, die nötige Reinheit in Reichweite bringen.