Innovationsfelder - Sensortechnologie zur Kontrolle von Quantensystemen, Photonische Systeme zur Quantenkontrolle und Informationsverarbeitung
Levitation photonischer Mikrorotoren im Quantenregime
Mit einer optischen Pinzette kontrollierte Partikel im Vakuum bieten eine einzigartige Plattform, um Quantenaspekte von makroskopischen mechanischen Objekten zu untersuchen und zu nutzen. Die Möglichkeit, schwebende Teilchen für die Untersuchung der Quantenphysik auf großen Skalen und für die Entwicklung von Beschleunigungs- und Rotationssensoren mit quantenbegrenzter Präzision zu nutzen, bietet eine faszinierende Perspektive. Auf dem Gebiet der levitationsbasierten Quantenoptomechanik sind in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte erzielt worden. Die derzeitige Forschung ist jedoch weitgehend auf Partikel beschränkt, deren Größe weit unter der optischen Wellenlänge liegt. Um die auf der levitationsbasierten Quantenoptomechanik basierende Sensorik weiter zu verbessern und Quantenexperimente auf die Makroebene zu ermöglichen, ist es wünschenswert, die Größe der Partikel zu erhöhen und deren Form anzupassen. Damit soll die reichhaltige Licht-Materie-Wechselwirkung für photonische Objekte mit Größen vergleichbar der optischen Wellenlänge genutzt werden, da diese Mie-ähnliche optische Resonanzen aufweisen können.
Im Projekt wollen wir die levitationsbasierte Quantenoptomechanik auf photonische asphärische Teilchen erweitern, deren Form und Größe über das Rayleigh-Regime hinausgeht und deren optische Streuantwort daher nicht die eines Punktdipols ist. Konkret werden wir uns auf die Entwicklung eines photonischen Mikrorotors konzentrieren, eines Partikels im Mikrometerbereich mit hohem Aspektverhältnis und maßgeschneiderten optischen und mechanischen Eigenschaften, und die vollständige Kontrolle über dessen Quantenbewegung erlangen. Die erfolgreiche Durchführung des vorgeschlagenen Projekts wird es uns ermöglichen, eine quantenbegrenzte Kontrolle über diese photonischen Mikrorotoren zu erlangen, einschließlich der Kühlung von translatorischen und rotatorischen Freiheitsgraden bis in den Quantenbereich. Dies wird den Weg für die Erprobung der Quantenphysik in unerforschten Parameterregimen und die Entwicklung schwebender Gyroskope als quantenbegrenzte Beschleunigungs- und Rotationssensoren ebnen.
