Das 'Q' in der Quantenmechanik
Alles ist in Bewegung! Aber in einer von elektronischen Geräten dominierten Welt vergisst man leicht, dass alle Messungen auf Bewegungen beruhen, ob es die Bewegung von Elektronen durch einen Transistor oder die einfache Verschiebung eines mechanischen Elementes ist. Neue EU-finanzierte Forschungen helfen bei der Beantwortung der Frage, wann Bewegung aufhört. In der Zeitschrift Nature Communications berichten Forscher der Universität Wien in Österreich und der Technischen Universität München in Deutschland über ihre Erkenntnisse, die ein seit Langem bestehendes Problem bei der Konstruktion von mikro- und nanoelektromechanischen Resonatoren lösen werden. Heute werden mikro- und nanoelektromechanische Resonatoren auf ähnliche Weise eingesetzt wie früher Kraftdetektoren, allerdings mit viel mehr Kraft - man nähert sich dem Bereich von Zeptonewton (10-21 N). Zu den vielen neuen möglichen Anwendungen gehören Messungen der Kräfte zwischen Molekülen sowie der Kräfte aus der Elektron-Magnetresonanz. Die Zukunft für extrem kleine mechanische Geräte scheint viel versprechend, doch einige ihrer faszinierendsten Anwendungen kommen nicht über das Stadium der Grundlagenforschung hinaus. Obwohl solche Sensoren den klassischen physikalischen Gesetzen unterliegen, ist der Fingerabdruck von Quantenphänomenen im Labor eindeutig zu sehen. Jetzt ist es allerdings möglich, und vielleicht interessanter, intrinsische Quantenfluktuationen zu betrachten - diejenigen, die zum mechanischen Gerät selber gehören. Welche Voraussetzungen sind erforderlich, um sie zu beobachten, und was können wir lernen, wenn wir ihnen begegnen? Hier kommt die aktuelle Studie ins Spiel, die sich mit der Minimierung des Energieverlusts befasst. Wenn beispielsweise die Saiten eines Musikinstruments - etwa einer Gitarre - gezupft werden, erzeugen die Schwingungen Schallwellen, die wir als Ton hören. Die Reinheit des ausgestrahlten Tons ist eng mit dem Zerfall der Schwingungsamplitude verknüpft, d.h. mit dem mechanische Energieverlust ("Q") des Systems. Je größer der "Q-Faktor", desto reiner klingt der Ton und umso länger schwingt das System, bevor der Ton verstummt. Allerdings war es selbst bei einfachen Geometrien bisher nahezu unmöglich, den erreichbaren Gütefaktor Q vorauszuberechnen. Um dieses Problem zu beheben, entwickelte das Forscherteam ein Berechnungsverfahren auf Basis der Finite-Elemente-Methode, mit dem die designbedingte Dämpfung nahezu beliebiger Resonatorgeometrien vorausberechnet werden kann. "Wir berechnen nun, wie die von der Schwingung des Resonators ausgehenden Phononen in den Träger des Resonators abstrahlen", sagt Garrett Cole, leitender Forscher in der Arbeitsgruppe von Markus Aspelmeyer an der Universität Wien. Die Idee geht zurück auf frühere Arbeiten von Ignacio Wilson-Rae, einem Physiker an der Technischen Universität München. In Zusammenarbeit mit der Wiener Gruppe entwickelten die Forscher aus München nun eine einfache numerische Lösung, die die Berechnung der mechanischen Verluste auf einem Standard-PC (Personal Computer) ermöglicht. Die Vorhersagekraft des numerischen "Q-Solver" beendet das gegenwärtige Rätselraten (und Herumprobieren) bei der Gestaltung von mechanischen Resonatoren. Den Forschern zufolge ist die Methode maßstabsunabhängig und kann auf Nanometer-Bauteilen angewendet werden - bis hin zu makroskopischen Systemen. Finanziert wurde diese Studie teilweise durch die folgenden EU-geförderten Projekte: MINOS ("Micro- and nano-optomechanical systems for ICT and QPIC"), QESSENCE ("Quantum interfaces, sensors and communication based on Entanglement"), IQOS ("Integrated quantum optomechanical systems") sowie QOM ("Quantum optomechanics: quantum foundations and quantum information on the micro- and nanoscale") MINOS und QESSENCE werden unter dem Themenbereich "Informations- und Kommunikationstechnologien" des Siebten Rahmenprogramms (RP7) mit 2,27 Mio. EUR bzw. 4,7 Mio. EUR gefördert. IQOS hat ein "International Incoming Fellowship" der Marie-Curie-Maßnahmen in Höhe von 171.412 EUR unter dem RP7 erhalten, während sich QOM eine Beihilfe für Nachwuchsforscher des Europäischen Forschungsrats in Höhe von 1,67 Mio. EUR gesichert hatte.Weitere Informationen unter: Universität Wien http://www.univie.ac.at/?L=2 Technische Universität München http://portal.mytum.de/welcome/ Nature Communications http://www.nature.com/ncomms/index.html
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Österreich, Deutschland