Verdampfer-Kryostat

• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung in 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438873032

In heutigen interferometrischen Gravitationswellendetektoren limitiert das Quantenrauschen bereits die Detektionsempfindlichkeit für einen weiten Bereich der Messfrequenzen. Aber auch in vielen anderen, laborgestützten („table-top“) quantenoptischen Experimenten stellt das Quantenrauschen (und hier insbesondere das Quantenstrahlungsdruckrauschen) eine fundamentale Grenze der Messgenauigkeit dar. In unserer Arbeitsgruppe „Quantum Control“ arbeiten wir an der experimentellen Realisierung von Methoden zur Reduktion des Quantenstrahlungsdruckrauschens, sowohl mit der Perspektive einer Anwendung in Gravitationswellendetektoren der nächsten Generationen, als auch für weitere Anwendungen in der allgemeinen Quantenoptik (z.B. für die Messung kleiner Kräfte). Ein von uns untersuchtes Verfahren mit Namen „Coherent Quantum Noise Cancellation“ (CQNC) wird von uns in einer rein optischen Realisierung unter Verwendung mikro-optomechanischer Oszillatoren in unseren Laboren aufgebaut. Das im Experiment auftretende Quantenstrahlungsdruckrauschen (bedingt durch die optomechanische Kopplung von Licht und Spiegeln) wird durch einen genau abgestimmten "Anti-Rausch"-Prozess (bestehend aus einer Strahlteilerwechselwirkung und optisch-parametrischer Abkonversion) reduziert, wobei die Rauschterme destruktiv interferieren. Für die Anwendung in unserem CQNC Experiment müssen die Spezifikationen der ausgewählten Oszillatoren klar definierte Parameterbereiche einhalten; entscheidend sind in unserem Fall eine sehr geringe Masse (< 50 ng) und Resonanzfrequenzen im Bereich von 300 kHz bis 500 kHz bei moderaten mechanischen Gütefaktoren (~ 1000), sowie eine hohe (optische) Reflektivität (für die Verwendung als optomechanisch gekoppelte Endspiegel in optischen Resonatoren). Wir verwenden hierfür photonische Kristallmembranen. Durch die genannten Randbedingungen dominiert bei Zimmertemperatur das thermische Rauschen der Oszillatoren ihre Bewegung und überdeckt damit das Quantenstrahlungsdruckrauschen. Es ist daher nötig, das thermische Rauschen durch eine Erniedrigung der Temperatur soweit zu reduzieren, dass das Quantenstrahlungsdruckrauschen dominant und damit messbar wird. Erst dann kann unser Experiment zur Quantenstrahlungsdruckrauschreduktion messbare Effekte aufweisen. Die Temperaturen, die dafür erreicht werden müssen, liegen im Bereich unterhalb von 50 mK (nach Möglichkeit 10 mK). Diese ultratiefen Temperaturen können nur mittels eines Verdampfer-Kryostaten („dilution refrigerator“), wie er hier beantragt wird, erreicht werden.CQNC ist das erste in einer Reihe von Experimenten, die in unserer Arbeitsgruppe durchgeführt werden, um Methoden zur Quantenrauschreduktion für optomechanische Systeme zu untersuchen und zu realisieren. Für diese Experimente wird generell ein Betrieb bei tiefsten Temperaturen und damit die Verwendung eines mK-Kryostaten nötig sein.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Verdampfer-Kryostat
• Gerätegruppe: 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)
• Antragstellende Institution: Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
• Leiterin: Professorin Dr. Michèle Heurs