Ein Hochfinesse-Resonator mit beweglichem Spiegel als optomechanischer Sensor (PDF)

Inhaltsangabe:Einleitung:
Seit der Begründung der Quantentheorie in ihrer heute gültigen Form durch Heisenberg und Schrödinger in den 20er-Jahren dieses Jahrhunderts ist die Rückwirkung des Meßgerätes auf das zu messende Objekt für den Mikrokosmos der Quantenwelt allgemein akzeptiert. Aus unserer täglichen Erfahrung sind wir es aber gewohnt, daß Gegenstände nicht dadurch ihre Position verändern, daß wir eben diese Position zu bestimmen versuchen. Mit zunehmender technologischer Entwicklung verschwimmt jedoch diese scheinbar scharfe Grenze zwischen quantenmechanischem Mikrokosmos und klassischer Erfahrungswelt mehr und mehr. Physikalische Experimente stoßen gegenwärtig in Bereiche der Präzision und Empfindlichkeit vor, die eine Beobachtung der Rückwirkung einer Messung auf das zu vermessende System auch für im Sinne der Quantenmechanik makroskopische Körper erwarten läßt.
Ein Gebiet der aktuellen Forschung, bei dem diese Effekte berücksichtigt werden müssen, ist beispielsweise die Gravitationswellendetektion. Diese von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Zeugen großer astrophysikalischer Ereignisse wie z.B. Supernovae würden ein neues Beobachtungsfenster in den Kosmos eröffnen. Seit den 60er Jahren wird der Versuch der Detektion dieser Gravitationswellen intensiv verfolgt. Weltweit werden derzeit mehrere internationale Projekte (LIGO, VIRGO, GEO 600, TAMA, AURIGA) vorangetrieben, die alle den Bau eines Gravitationswellendetektors zum Ziel haben. Das Grundprinzip dieser Detektoren beruht auf der interferometrischen Messung der Bewegung einer Testmasse, die durch eine Gravitationswelle verursacht wird. Die erwarteten Längenänderungen, die von Interferometern aufgelöst werden müssen, liegen bei 1O-18m [MLP95]. Bei dieser Empfindlichkeit müssen möglicherweise Effekte wie die Rückwirkung des verwendeten Lasers auf die Testmasse über quantenmechanisch bedingte Strahlungsdruckfluktuationen berücksichtigt werden.
Ein anderes modernes Meßgerät, das den gleichen grundlegenden Beschränkungen der Meßpräzision entgegenstrebt, ist das atomare Kraftmikroskop (AFM). Die Position des durch die Wechselwirkung mit einer Probenoberfläche bewegten Mikroskopbalkens wird im allgemeinen optisch gemessen; dabei wird entweder die laterale Ablenkung eines Laserstrahls detektiert oder eine interferometrische Messung durchgeführt. Die dabei zu erwartenden Grenzen der Auflösung durch die Rückwirkung des Laserlichts auf die Position der Meßspitze werden seit [...]