Wissenschaftler der ETH Zürich und des Institute of Photonic Sciences in Barcelona haben einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenphysik erzielt: Sie konnten die kontrollierte Quanten-Delokalisierung eines Silica-Nanopartikels demonstrieren, das in einer optischen Falle schwebt. Diese Forschung, veröffentlicht in Physical Review Letters, ebnet den Weg für tiefere Einblicke in die Grenzen der Quantenmechanik und deren potenzielle technologische Anwendungen.
Die Kohärenzlänge eines schwebenden Nanopartikels wird unter idealen Bedingungen durch die Nullpunktbewegung begrenzt, was die Beobachtung von Quanteninterferenzen bei größeren Objekten erschwert. Das Forschungsteam umging diese Herausforderung durch eine neuartige Methode der kontrollierten Expansion. Mittels eines modulierten optischen Pinzetten-Systems konnten sie die Lichtfalle im Mikrosekundenbereich gezielt „erweichen“ und „verhärten“. Dieser innovative Ansatz führte zu einer mehr als Verdreifachung der ursprünglichen Kohärenzlänge, die sich von etwa 21 Pikometern auf über 70 Pikometer verbesserte.
Die Kohärenzlänge ist entscheidend für die Fähigkeit eines Teilchens, Quanteninterferenz zu zeigen; eine größere Kohärenzlänge erhöht die Wahrscheinlichkeit für wellenartige Verhaltensweisen des Systems. Obwohl die erreichten Werte noch gering sind, beweist diese Methode, dass eine kontrollierte Expansion möglich ist, ohne die Quantenreinheit des Partikels zu beeinträchtigen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, Phänomene zu untersuchen, die bisher nur bei atomaren oder molekularen Systemen beobachtet wurden, und bringt die Quantenmechanik näher an die makroskopische Welt.
Über die grundlegende Bedeutung hinaus birgt diese Technik vielversprechende Anwendungen für die Entwicklung von Quantensensoren. Ein hochkohärentes Nanopartikel könnte kleinste Schwankungen in elektrischen oder Gravitationsfeldern mit beispielloser Präzision detektieren und somit aktuelle Technologien übertreffen. Darüber hinaus werden neue Wege zur Erforschung der Verbindung zwischen Quantenmechanik und Gravitation eröffnet, einem Bereich, der experimentell noch weitgehend unerforscht ist. Theorien deuten darauf hin, dass zwei delokalisierte Quantenmassen gravitative Verschränkung erzeugen könnten. Die in dieser Studie beschriebenen Methoden stellen einen Schritt in Richtung der praktischen Umsetzung solcher Ideen dar.
Diese Errungenschaft ergänzt weitere Fortschritte im Bereich der optischen Levitation von Nanopartikeln. So hat beispielsweise das Projekt QnanoMECA, gefördert vom Europäischen Forschungsrat, erfolgreich die mechanische Energie von Quanten-Nanomechanik-Oszillatoren reduziert, wodurch diese dem Quantenregime einzelner Phononen nähergebracht werden. Solche Entwicklungen könnten zur Entstehung einer neuen Generation von Hochleistungssensoren für Navigation und Seismologie beitragen.
Die Fähigkeit, Quanten-Delokalisierung in levitierten Nanopartikeln zu kontrollieren, markiert einen bedeutenden Sprung im Verständnis und der Anwendung der Quantenmechanik auf makroskopischen Skalen und eröffnet faszinierende Perspektiven für die fundamentale Forschung und die Entwicklung fortschrittlicher Quantentechnologien.