Optische Levitation: Laserstrahl lässt Nanodiamanten schweben

Licht wird im allgemeinen nicht als Strahlungsform betrachte, die körperliche Impulse ausüben kann. Mit anderen Worten: Licht kann Gegenstände nicht bewegen. Dennoch übt Licht eine gewisse Kraft aus, mit deren Hilfe es Wissenschaftlern nun gelang, einen Nanodiamanten in der Luft schweben zu lassen. Die Methode kann zu neuen Erkenntnissen in der Quantenmechanik führen.

Foto: J. Adam Fenster/University of Rochester.

Schweben im Licht

Das Experiment war in zwei Stufen unterteilt. In der ersten Stufe wurde der Nanodiamant mit einem Laserstrahl in einen schwebenden Zustand versetzt, in der zweiten Stufe maßen die Forscher dann die Wellenlänge des Lichts, das durch den Diamanten emittiert wurde, um dessen Energiestruktur zu erkennen. Insgesamt wurden zwei Laser genutzt: Einer um den Diamanten in einen Schwebezustand zu versetzen und einer, um ihn zu bestrahlen und das Emittieren von Licht hervorzurufen.

Levi Neukirch und sein Team von der University of Rochester haben in der Zeitung Nature Photonics von Ihrem Experiment berichtet. Die Photonen des Laserstrahls üben genug Kraft auf den Diamanten auf, um ihn in einem sogenannten “optischen Topf” gefangen zu halten. Das Experiment musste in einem Vakuum stattfinden, um die Störung durch Gase zu verhindern.

Der Nanodiamant als hoch empfindlicher Sensor

Das besondere an diesem Versuchsaufbau ist, dass er eine präzise mechanische Kontrolle über den Diamant ermöglicht. Auf diese Weise kann er als hoch empfindlicher Sensor agieren, da jede noch so kleine Kraft, die auf ihn einwirkt, ihn eine Winzigkeit aus seiner Position rückt. Diese Veränderungen werden von dem Laseraufbau registriert.

Noch interessanter allerdings sind die quantenmechanischen Eigenschaften des Aufbaus. Der Diamant weist eine winzige Imperfektion im Gitter seiner kristallinen Struktur auf, die auch als Stickstoff-Leerstelle bezeichnet wird. Die Forscher richteten den zweiten Laser mit kürzerer Wellenlänge auf diese Fehlstelle und regten so Elektronen an, die bei der Rückkehr in ihren Grundzustand Photonen emittieren und die Leerstelle so zum Leuchten bringen.

Neue Erkenntnisse in der Quantentheorie

Die Elektronen in dieser Leerstelle können während der Bestrahlung eine positive oder eine negative Drehung annehmen. Oder aber sie folgen den Regeln eines Quantensystems und drehen sowohl positiv als auch negativ, bis Ihre Drehung gemessen wird. Die Wissenschaftler generierten sozusagen eine Art Schrödingers Katze in kristalliner Form. Die Forscher hoffen, durch Manipulation an dem Diamanten diesen möglicherweise sogar in seiner Gesamtheit in diesen Zustand zu überführen. Aus ihren Experimenten wollen sie neue Erkenntnisse im Bereich der Quantenmechanik gewinnen.

 

Via IFLScience