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QuantumFrontiers
 
QuantumFrontiers Sharing Science Stories

Erfolgsgeschichte: Quanten- und Nano-Engineering von Atominterferometern und Uhren

© Jan Hosan/TUBS
In QuantumFrontiers wurden nanostrukturierte Metaspiegel mit Rekordwerten bei den Verlusten entwickelt, von denen auch die Gravitationswellendetektoren profitieren [1].

Quantensensoren auf Basis ultrakalter Atome und Ionen sind ein Musterbeispiel der Quantentechnologien, bei denen die Quanten- und Vielteilcheneigenschaften dieser Systeme genutzt werden können, um das fundamentale Quantenlimit zu erreichen. Die Zusammenarbeit von QuantumFrontiers-Forschenden aus den Bereichen experimentelle Quantenoptik, theoretische Physik und Ingenieurwissenschaften an der Leibniz Universität Hannover, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und der TU Braunschweig hat zu bemerkenswerten Fortschritten in der Messung physikalischer Größen geführt, wie beispielsweise der Erdbeschleunigung mit Atominterferometern und Frequenzverhältnissen zwischen optischen Uhren.

Weltrekord bei Frequenzvergleichen

QuantumFrontiers hat die Genauigkeit der Frequenzverhältnisse zwischen optischen Uhren auf einen Unsicherheitsgrad von 10-18 verbessert [2-4]. Dazu wurden präzise Messungen atomarer Eigenschaften durchgeführt [5, 6] und quantenmechanische Techniken wie Abfrageverfahren mit drehendem Licht [7], dynamischer Entkopplung [8] und Verschränkung [9-11] eingesetzt. Die Forschenden haben Pionierarbeit bei der Entwicklung der ersten Multi-Ionen-Uhren [2, 12] und transportablen Uhren geleistet, die schnellere Mittelungszeiten und geodätische Anwendungen ermöglichen [13]. Darüber hinaus haben sie neuartige, weltweit einzigartige Systeme wie etwa hochgeladene Ionen [14] und den Thoriumkern [15] etabliert, die geringe systematische Schwankungen und eine hohe Empfindlichkeit für neue physikalische Phänomene aufweisen und damit neue Forschungsfelder eröffnet. Aufbauend auf den weltweit führenden resonatorstabilisierten Siliziumlasern haben die Forscher von QuantumFrontiers Einkristallbeschichtungen mit verringertem thermischen Rauschen für hochstabile Uhren realisiert und eine unerwartete doppelbrechende Rauschquelle identifiziert [16].

Illustration der Laserabfrage einer Atomuhr mit hochgeladenen Ionen

Die Grenzen der Atominterferometrie verschieben

Die Materiewelleninterferometrie mit Bose-Einstein-Kondensaten (BEK), die von QuantumFrontiers-Forschenden verfolgt wird, bietet eine überlegene Kontrolle über die räumliche Lokalisierung und systematische Schwankungen [17]. Schlüsselparameter zur Verbesserung der Auflösung von Atominterferometern sind lange Abtastzeiten und große abgeschlossene Messbereiche. Sie haben ultra-kalte Atomquellen entwickelt, die Abtastzeiten in der Größenordnung von Sekunden ermöglichen [18-20], große Impulsübertragungs-Strahlteiler für große Messbereiche realisiert [21] und Konzepte entwickelt, um Systematiken im μrad-Bereich zu erreichen [22]. Über die Einzelteilchenphysik hinaus haben sie eine Technik entwickelt, um verschränkte spingequetschte Zustände für die Atominterferometrie durch schnelle Änderungen des Fallenpotentials zu erzeugen [23], spingequetschte Zustände in Impulszustände abgebildet [24] und schließlich das erste durch Verschränkung verbesserte Atomgravimeter unterhalb der Standard-Quanten-Grenze realisiert [25].

Dieser Artikel ist Teil einer Serie über die Erfolge von QuantumFrontiers

QuantumFrontiers hat atomare Wechselwirkungen als Empfindlichkeitsgrenze in Interferometern mit gequetschten Zuständen identifiziert und maßgeschneiderte Zustände entwickelt, um diese zu überwinden [26]. Um die Grenzen weiter zu verschieben, werden diese Techniken in der VLBAI-Anlage mit einer 10 m Basislinie eingesetzt, die kürzlich mit Rubidiumatomen in Betrieb genommen wurde.

Kalte Atome im Weltraum

© NASA/JPL-Caltech
Blick von der Internationalen Raumstation auf die Kapsel, die das Cold Atom Lab zur ISS brachte

Für besonders lange Messzeiten ist der Weltraum die ideale Lösung. Forschende von QuantumFrontiers haben erstmals Atominterferometrie im Weltraum demonstriert [27] und das Cold Atom Lab auf der ISS genutzt, um dessen Funktionalität als Quelle für BEK-Interferometrie zu demonstrieren [28]. Kürzlich wurde das erste Zwei-Atomspezies-BEK im Weltraum demonstriert [29], und damit der Weg für Quantentests der Universalität des freien Falls mit verschiedenen Spezies bei langen Interferometriezeiten geebnet. Die Projektleiterinnern und Projektleiter von QuantumFrontiers spielen Schlüsselrollen bei Missionen wie dem Cold Atom Rubidium Interferometer in Orbit for Quantum Accelerometry (CARIOQA) und dem BECCAL, einer Multi-User-Anlage auf der ISS [30].

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Letzte Änderung: 25.09.24; Dr. A. Wanner Druckversion

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