Hier ist das elektrische Feld dargestellt, das sich in der Stimmgabel einstellt, genauer gesagt, zwei unterschiedliche Möglichkeiten, wie ein elektrisches Feld mit der Stimmgabel wechselwirken kann, mit unterschiedlicher Wellenlänge. Wir können sozusagen stehende elektromagnetische Wellen aufbauen, so ähnlich wie eine stehende Welle, wenn ihr an einer Gitarrensaite zupft. Warum wir gleich zwei unterschiedliche stehende em-Wellen brauchen, sehen wir noch.
Ein Gebiet mit einer stehenden em-Welle nennt man auch Kavität oder Hohlraum (vielleicht habt ihr mal den Begriff “Hohlraumstrahlung” gehört, der hängt damit zusammen), und deswegen heißt unsere Stimmgabel “optomechanischer Hohlraum” – aber ich bleibe bei “Stimmgabel”.
2. Stimmgabel auf sehr niedrige Temperaturen abkühlen, so dass N sehr klein ist.
O.k, wir können unsere Stimmgabel in flüssiges Helium schmeißen, das ist schon ziemlich kalt (die Stimmgabel ließ sich damit auf etwa 18 Kelvin, also -255°C abkühlen), aber für Quanteneffekte immer noch zu warm. Bei dieser kuscheligen Temperatur ist die Zahl der Schwingungsquanten in der Stimmgabel im Mittel 94, und das ist zu hoch – der Unterschied zwischen N und N+1 (94 und 95) ist zu klein, als dass man ihn sauber messen könnte. Also müssen wir weiter kühlen, und das macht man hier mit einem Laser.
Normalerweise sollte man denken, dass ein Laser ja Energie enthält und deshalb eher zum Aufwärmen als zum Abkühlen dient (in Science-Fiction-Filmen frieren die Schurken auch selten ein, wenn sie der Laserstrahl des Helden trifft). Trotzdem kann man auf raffinierte Art mit einem Laser auch kühlen, und das geht so: Nehmt an, wir haben unsere etwa 94 Schwingungsquanten in unserer Stimmgabel und würden diese Zahl gern reduzieren. Jedes dieser Quanten hat eine Energie
Est=hνst
wobei der Index “st” für “Stimmgabel” steht.
Unsere Stimmgabel ist aber ja “optomechanisch” und sie kann mit der oben eingezeichneten em-Welle wechselwirken. Diese hat auch eine Energie
Ecav=hνcav
und das “cav” steht für “Kavität”. (Mit “k” sah’s mir zu sehr nach “Kaffee” aus.)
Ecav ist größer als Est. Nennen wir den Differenzbetrag
Ecav -Est = Elas
dabei steht das “las” für “Laser”. Wenn wir nämlich unseren Kühl-Laser auf diese Energie (bzw. die zugehörige Frequenz) einstellen, dann kann ein Photon mit Energie Elas ein Schwingungsquant mit Energie Est absorbieren und zu einem elektromagnetischem Schwingungsquant der stehenden Welle mit Energie Ecav werden (es ist ja Ecav = Est + Elas). Auf diese Weise haben wir der mechanischen Schwingung der Stimmgabel Energie entzogen, die im em-Feld in der Kavität gelandet ist.
(Das ganze ist ein klein wenig trickreicher, weil man auch den Prozess in die andere Richtung betrachten muss. Ich spare mir die detaillierte Diskussion, zum einen, weil es eh schon kompliziert ist, zum anderen, weil ich ein ganz ähnliches Problem neulich schon ausführlich diskutiert habe.)
Um das Laserlicht mit der Stimmgabel wechselwirken zu lassen, führt man den Laserstrahl durch eine Glasfaser, die man sehr dicht (so etwa 200 Nanometer) an der Stimmgabel vorbeiführt. Das reicht, damit die elektromagnetische Welle des Lasers mit der Stimmgabel wechselwirken kann.
Mit dieser Laser-Kühlung können wir jetzt also Quanten aus unserer Stimmgabel abziehen, und damit die Energie deutlich absenken. Im Experiment ist es gelungen, auf einen Wert von im Mittel etwa 2,6 Schwingungsquanten herunterzukühlen.
3. Stimmgabel in Kontakt mit einem System bringen, mit dem sie Energiequanten austauschen kann.
O.k., wir tauschen ja schon Energie mit dem Kühllaser aus, aber jetzt brauchen wir noch ein zweites System. Das funktioniert ganz genau so, man nimmt wieder einen Laser, aber diesmal so, dass man die andere em-Welle, die oben eingezeichnet ist, benutzt. Man stellt also den zweiten Laser (der sozusagen die Zustände aus”liest”, also nicht nur ein Laser, sondern auch ein Leser ist) so ein, dass seine Energiequanten gerade um Est von der Energie der anderen Quanten abweicht.
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