Diamond optomechanical crystals for high-frequency strain and comb generation

Licht und Bewegung werden normalerweise als zwei getrennte Welten betrachtet. Licht rast mit unglaublichen Geschwindigkeiten durch den Raum, während Bewegung die langsame, schwere Verschiebung fester Dinge ist. Doch in einem wachsenden Bereich der Physik lernen Wissenschaftler, diese beiden Welten miteinander sprechen zu lassen. Sie bauen winzige Maschinen, in denen Licht hin und her springt und dabei das Material selbst drückt und zieht. Wenn das Licht stark genug und die Maschine klein genug ist, können die Photonen – die Lichtteilchen – die Maschine bis in ihren ruhigsten möglichen Zustand abkühlen oder sie mit einer solchen Präzision zum Schwingen bringen, dass sie zu einem Werkzeug für die Erforschung des Universums wird. Diese Wechselwirkung, bei der Licht die Bewegung steuert und Bewegung das Licht verändert, ist die Grundlage für eine neue Generation von Technologien, die eines Tages die Mikrowellensignale, die in unseren Telefonen verwendet werden, mit den Lichtsignalen, die Daten über das Internet übertragen, verbinden könnten.

Damit dies funktioniert, müssen die verwendeten Materialien außergewöhnlich sein. Sie müssen steif genug sein, um sehr schnell zu vibrieren, klar genug, um intensives Licht hindurchzulassen, ohne sich zu erhitzen, und in der Lage sein, Quanteninformationen festzuhalten. Diamant ist ein perfekter Kandidat. Er ist das härteste natürliche Material, was bedeutet, dass er mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten vibrieren kann. Er ist zudem ein exzellenter Wärmeleiter, sodass er unter der Leistung eines Lasers nicht schmilzt, und er kann winzige Defekte beherbergen, die als Quantenbits fungieren – die Basiseinheiten zukünftiger Quantencomputer. Forscher wollten schon lange Geräte bauen, die Diamant nutzen, um diese Wechselwirkung zu beherrschen, aber es war eine schwierige Herausforderung, eine Diamantstruktur klein genug zu fertigen, um sowohl Licht als auch Schall gleichzeitig zu kontrollieren.

Einem Team von Forschern ist es nun gelungen, eine funktionierende Version eines solchen Geräts zu bauen. Sie erzeugten einen winzigen Strahl aus Einkristall-Diamant, der in der Luft schwebt und mit einem präzisen Array von Löchern gemustert wurde. Diese Struktur fungiert wie eine Falle für sowohl Licht als auch Schall. Die Löcher sind so angeordnet, dass sie einen Spiegel bilden, der Licht- und Schallwellen zurück in die Mitte des Strahls reflektiert und sie so in einem sehr kleinen Raum einschließt. Die Forscher entwarfen diesen Strahl extrem schmal, nur wenige hundert Nanometer breit, was das Licht und die Schallwellen dazu zwingt, stark miteinander zu interagieren. Wenn sie einen Laser in diesen Diamantstrahl leuchten, geht das Licht nicht einfach nur hindurch; es drückt auf den Diamanten und bringt ihn zum Vibrieren. Da der Diamant so steif ist, geschehen diese Vibrationen mit einer Frequenz von etwa 12 Milliarden Zyklen pro Sekunde – eine Geschwindigkeit, die viel zu schnell ist, um vom menschlichen Ohr gehört zu werden, aber perfekt für Hochtechnologie.

Das Team fand heraus, dass sie diesen Diamantstrahl von selbst vibrieren lassen konnten, ohne äußere Erschütterung. Durch Abstimmung des Lasers auf eine spezifische Frequenz trieben sie das System über einen Kipppunkt, an dem das Licht begann, mehr Energie in die Bewegung einzuspeisen, als der Diamant verlieren konnte. Dies veranlasste den Strahl, in einen Zustand der selbstunterstützten Oszillation überzugehen, wobei er kontinuierlich mit einer großen Amplitude vibriert. Während der Diamant vibrierte, modulierte er das durch ihn wandernde Licht und erzeugte so eine Serie neuer Lichtfrequenzen oder Farben, die gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Diese Sammlung von Farben ist als Frequenzkamm bekannt. In diesem Experiment erzeugten die Forscher einen Kamm, der einen Bereich von 143 Milliarden Zyklen pro Sekunde umspannte, wobei die einzelnen Farben im Abstand von 12 Milliarden Zyklen pro Sekunde lagen. Dies ist ein wesentlich breiterer Bereich und ein größerer Abstand als bei ähnlichen Geräten aus anderen Materialien, was die einzigartige Leistungsfähigkeit der Diamantplattform demonstriert.

Durch die Analyse der Form und Intensität dieses Lichtkamms konnten die Forscher genau messen, wie stark sich der Diamant bewegte. Sie berechneten, dass die Oberfläche des Diamanten um eine Distanz von 130 Pikometern vor und zurück schwingt. Um dies einzuordnen: Dies entspricht in etwa der Breite eines einzelnen Atoms, aber die Bewegung geschieht mit einer Geschwindigkeit von 12 Milliarden Mal pro Sekunde. Diese Bewegung erzeugt eine enorme Menge an Spannung, also Dehnung und Stauchung, innerhalb des Kristallgitters des Diamanten. Die gesamte Spannung erreichte ein Niveau von 0,0011, was mehr als fünfzig Mal stärker ist als das, was in bisherigen Diamantexperimenten erreicht wurde. Dieses Spannungsniveau ist signifikant, da es stark genug ist, um potenziell die Quantenzustände der Defekte im Inneren des Diamanten zu steuern.

Die Auswirkungen dieser Arbeit gehen über die bloße Erzeugung einer neuen Art von Lichtquelle hinaus. Die Fähigkeit, eine solch starke Spannung bei solch hohen Frequenzen zu erzeugen, eröffnet einen direkten Weg zur Kontrolle der in Diamant vorkommenden Quantenbits. Diese Quantenbits, welche Defekte im Diamantkristall sind, können durch die mechanische Spannung des vibrierenden Strahls manipuliert werden. Die Forscher zeigten, dass ihr Gerät Spannungsniveaus erzeugen konnte, die ausreichen, um diese Quantenzustände zu beeinflussen, was darauf hindeutet, dass man die mechanische Bewegung des Diamanten mit seinen internen Quanteneigenschaften verknüpfen kann. Dies könnte zu neuen Wegen führen, Informationen zu speichern oder Signale zwischen verschiedenen Energieformen umzuwandeln. Das Gerät arbeitet bei Raumtemperatur, was ein großer Vorteil ist, da es nicht die extreme Kälte benötigt, die normalerweise für Quantenexperimente erforderlich ist. Die Forscher bestätigten ihre Ergebnisse durch detaillierte Messungen der Licht- und Schallwechselwirkungen und verifizierten damit, dass die theoretischen Modelle darüber, wie Licht und Bewegung in Diamant koppeln, korrekt waren.

Dieser Erfolg stellt einen bedeutenden Schritt nach vorn auf dem Gebiet der Optomechanik dar. Indem sie bewiesen haben, dass ein Diamantkristall hochfrequente Vibrationen und starke Licht-Materie-Wechselwirkungen bei Raumtemperatur unterstützen kann, haben die Forscher eine robuste Plattform für zukünftige Experimente geschaffen. Das Gerät ist in der Lage, komplexe Lichtmuster zu erzeugen und präzise mechanische Kräfte auszuüben, und das alles innerhalb einer Struktur, die kleiner als ein menschliches Haar ist. Der Erfolg dieses Experiments legt nahe, dass Diamantsysteme zu einem Standardwerkzeug für den Bau von Quantentechnologien werden könnten, da sie eine Möglichkeit bieten, die Lücke zwischen der mechanischen Welt und der Quantenwelt zu schließen. Die Forscher planen den nächsten Schritt, indem sie spezifische Quantendefekte in diese vibrierenden Strahlen integrieren, mit dem Ziel, die direkte Kontrolle über Quantenzustände mittels mechanischer Bewegung zu demonstrieren. Diese Arbeit legt den Grundstein für eine Zukunft, in der Licht, Bewegung und Quanteninformation nahtlos in eine einzige, leistungsstarke Technologie integriert sind.