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Sep 03, 2023

Die Magnetfalle hält eine supraleitende Mikrokugel schwebend und stabil

Es sieht vielleicht nicht nach viel aus, aber dieses winzige schwebende Teilchen könnte der Schlüssel sein

Es sieht vielleicht nicht nach viel aus, aber dieses winzige schwebende Teilchen könnte der Schlüssel zu einer neuen Generation von Quantensensoren sein. Mithilfe einer sorgfältig konstruierten Magnetfalle gelang es Physikern in Schweden und Österreich, eine Kugel aus supraleitendem Material mit 48 μm Durchmesser schweben zu lassen und sie stabil genug zu halten, um ihre Bewegung zu charakterisieren – eine Leistung, die sie als „entscheidenden ersten Schritt“ zur Nutzung der Kugel bezeichnen Lage, Quantenzustände zu erzeugen. Solche ortsbasierten Quantenzustände könnten in mehreren Bereichen Anwendung finden, darunter in der Metrologie und bei der Suche nach der mysteriösen Dunklen Materie, von der angenommen wird, dass sie 85 % der Masse des Universums ausmacht.

Um ihre Mikrosphäre zum Schweben zu bringen, musste das Team sowohl die Schwerkraft als auch die anziehende Van-der-Waals-Kraft überwinden, die die Mikrosphäre sonst an der Oberfläche kleben lassen würde. Dazu konstruierten sie eine Chip-basierte Magnetfalle aus Drähten aus Niob, das bei niedrigen Temperaturen zu einem Supraleiter wird. Diese Falle erzeugt die Magnetfeld-„Landschaft“, die erforderlich ist, um die supraleitende Mikrosphäre über den als Meissner-Zustandsfeldausstoß bekannten Mechanismus schweben zu lassen, bei dem Ströme, die im Supraleiter entstehen, dem externen Magnetfeld vollständig entgegenwirken.

„Der Schlüssel zu unserem Erfolg bestand darin, eine Magnetfeldstärke zu erreichen, die hoch genug war, um die Levitation auszulösen und stabil zu halten“, erklärt Teamleiter Wilef Wieczorek vom Chalmers Institute of Technology in Schweden. „Dazu mussten wir 0,5 A Strom bei Millikelvin-Temperatur durch den Aufbau leiten, ohne das Experiment aufzuheizen.“

Die Levitation blieb über einen Zeitraum von Tagen stabil. Während dieser Zeit maßen Forscher von Chalmers und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften die Schwerpunktbewegung des Teilchens mithilfe eines integrierten DC-Supraconducting Quantum Interference Device (SQUID)-Magnetometers. Dabei stellten sie die Frequenz des magnetischen Einfangpotentials kontinuierlich zwischen 30 und 160 Hz ein und konnten so die Amplitude der Teilchenbewegung als Funktion dieser Frequenzverschiebungen charakterisieren.

Wieczorek und Kollegen sagen, ihr Experiment könnte die Entwicklung besserer Sensoren für Kraft und Beschleunigung ermöglichen. „Unsere Arbeit ist ein entscheidender erster Schritt zur Schaffung von Quantenzuständen an der Position des mikrometergroßen Teilchens“, sagt Wieczorek gegenüber Physics World. „Es ebnet den Weg, die Bewegung des Teilchens an supraleitende Quantenschaltkreise zu koppeln, was die Erzeugung eines Quantenzustands der Teilchenbewegung erleichtern würde.“

Quantensensor verkleinert den Parameterraum der Dunklen Materie

Langfristig, sagt Wieczorek, könnte die Plattform des Teams zu einem präzisen Kraft- und Beschleunigungssensor mit Anwendungen bei der Suche nach dunkler Materie weiterentwickelt werden. Die bei solchen Suchen verwendeten Instrumente müssen hochempfindlich sein, um überhaupt Hoffnung auf die Entdeckung von Verschiebungen aufgrund der Dunklen Materie zu haben, von der angenommen wird, dass sie über die Schwerkraft nur schwach mit normaler Materie interagiert.

Wieczorek und Kollegen, die in Physical Review Applied über ihre neue Technik berichten, sagen, dass sie nun versuchen werden, die Bewegungsamplitude ihrer Mikrosphären zu reduzieren, indem sie mehrere technische Aspekte ihrer Experimente verbessern. Dazu könnte die Installation einer passiven kryogenen Isolierung und der Einsatz rückkopplungsbasierter Kühltechniken gehören, die routinemäßig im Bereich der Hohlraumoptomechanik eingesetzt werden.