Will man wieder Energie aus der Stimmgabel absorbieren, so wie beim Kühlen, dann stellt man den Lese-Laser so ein, dass gilt:
Ecav,2 -Est = Eles
Aber wir wollen ja das Verhältnis von Quantenaufnahme und Quantenabgabe berechnen. Um der Stimmgabel Quanten hinzuzufügen, muss der Lese-Laser mehr Energie haben (deswegen ein Plus-Zeichen):
Ecav,2 +Est = Eles
Jetzt kann ein Photon des Lese-Lasers in eins in der Kavität (2. Mode) und ein Schwingungsquant übergehen. (Der Lese-Laser muss natürlich insgesamt wesentlich schwächer sein als der Kühl-Laser, damit er die Stimmgabel nicht zu sehr aufheizt.)
4. Messen, wie viele Quanten die Stimmgabel im Schnitt aus dem System absorbiert und emittiert.
Je nach Einstellung des Lese-Lasers wird der Laserstrahl jetzt geschwächt (wenn er Energie abgibt) oder verstärkt (wenn er Energie aufnimmt). Diese Energieänderung kann man messen. Dazu wird das Lasersignal verstärkt (mit einer Erbium-dotierten Glasfaser, ein Trick, der für sich auch schon einen Blogtext wert wäre) und dann mit einem Photodetektor gemessen.
5. Aus der Messung berechnen, ob tatsächlich mehr Quanten absorbiert als emittiert werden und das Ergebnis mit der Vorhersage der Quantenmechanik vergleichen.
Das Ergebnis des Ganzen sieht so aus:
Auf der senkrechten Achse ist hier die Zahl der Schwingungsquanten in der Stimmgabel aufgetragen, auf der horizontalen Achse die Asymmetrie, die also angibt, wie viel mehr Schwingungsquanten an die Stimmgabel abgegeben als von ihr entnommen werden. Die senkrechte blaue Linie bei Null ist die Vorhersage nach der klassischen Physik – da gibt es keine Quanten und keine Asymmetrie. Die magenta-farbene Linie ist die quantenmechanische Vorhersage, und wie man sehen kann, liegen die Messpunkte ziemlich genau auf dieser Linie (im Rahmen der Messgenauigkeit).
Die Vorhersage der Quantenmechanik ist also sehr gut bestätigt. Ja, auch eine Stimmgabel schwingt quantisiert (und das gilt auch für ein echte, makroskopische Stimmgabel), und wenn man in der Nähe des Energie-Nullpunktes ist, dann hat das tatsächlich messbare Auswirkungen. Auch ein System, das einige Mikrometer groß ist, benimmt sich also wie ein Quantensystem.
Safavi-Naeini, A., Chan, J., Hill, J., Alegre, T., Krause, A., & Painter, O. (2012). Observation of Quantum Motion of a Nanomechanical Resonator Physical Review Letters, 108 (3) DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.033602
Eine ganz gute Erklärung des Versuchs findet sich auch bei der American Physical Society
Kommentare (15)