Kraftmessung am Quantenlimit

In vielen Disziplinen, müssen Physiker selbst winzige Kräfte genau messen. Der Messempfindlichkeit sind jedoch durch die Gesetze der Quantenmechanik nach unten hin Grenzen gesetzt. Physiker um Sydney Schreppler von der University of California in Berkeley haben nun ein besonders genaues Verfahren zur Kraftmessung entwickelt: Die erreichte Empfindlichkeit beträgt nur noch das Vierfache des fundamentalen Quantenlimits. Mit der neuen, im Fachblatt „Science“ vorgestellten Methode gelang es den Forschern, den bislang kleinsten bekannten Wert für eine Kraft zu messen.

Schreppler und ihre Kollegen fixierten dazu eine Wolke aus Rubidiumatomen in einer optischen Falle aus zwei Laserlichtfeldern und kühlten das Gas bis fast auf den absoluten Nullpunkt ab. Dann veränderten sie die Amplitude eines der beiden Lichtfelder, sodass eine kleine Kraft die Atome zum Schwingen brachte. Anschließend strahlten sie die bewegten Atome mit einem Prüflaser an, dessen Licht aufgrund von Beugungseffekten mit einem Phasenunterschied zurückgeworfen wird. Aus der gemessenen Phasendifferenz berechneten sie schließlich den unvorstellbar kleinen Wert der auf die Atome wirkenden Kraft: 42 Yoktonewton, das entspricht dem Billionstel eines Billionstels der Gewichtskraft einer Tafel Schokolade.

Drei regelmäßige Wellenlinien in verschiedenen Farben, die in von links nach rechts verlaufen. Zwei der Wellenlinien sind leicht gegeneinander versetzt, und die Höhe ihrer Berge und Täler, unterscheidet sich ein wenig. Das Prüflicht ist durch die dritte Wellenlinie dargestellt. Sie ist deutlich niedriger, und die Abstände zwischen ihren Wellenbergen und -tälern sind geringer als bei den anderen beiden Linien. Inmitten der drei Wellenlinien befindet sich ein graues Oval, dessen Schwingung durch einen Pfeil nach rechts und links angedeutet ist. Weitere Pfeile zeigen die resultierende Kraft, die auf die Atome wirkt, und den Phasenunterschied, der beim Prüflicht gemessen wird.
Kraftmessung an ultrakalten Atomen

„Wir haben die Kraft mit einer Empfindlichkeit gemessen, die dem Quantenlimit bislang am nächsten kommt“, sagt Schreppler. Das Quantenlimit stellt eine Untergrenze für die Messung von Kräften und Bewegungen dar. Es geht auf die Heisenbergsche Unschärferelation zurück, nach der sich Position und Impuls von Quantenteilchen nicht gleichzeitig exakt bestimmen lassen. Die Dimensionen sind hier so klein, dass die Messung selbst die Bewegung der Atome beeinflusst. Im Experiment gelang es den Physikern, die Rubidiumatome von deren Umgebung zu entkoppeln und ihre ultrakalte Temperatur zu bewahren. Zudem konnten sie die quantenmechanischen Störeffekte weitgehend gegeneinander ausbalancieren. Im Resonanzfall – als die äußere Kraft durch das Prüflicht und die Atomwolke im Gleichtakt schwangen – erreichten sie im Vergleich zum Quantenlimit eine nur viermal niedrigere Messempfindlichkeit.

Schreppler hält es für möglich, bei der Kraftmessung sogar noch näher an das Quantenlimit heranzukommen, etwa durch noch kältere Atome und einen effizienteren Detektor. Mit dem neuen Ansatz ließe sich beispielsweise testen, inwieweit sich die newtonschen Gravitationsgesetze auf die Quantenwelt anwenden lassen. Auch bei der Suche nach Gravitationswellen könnte sich die verbesserte Messempfindlichkeit als hilfreich erweisen.