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Anwendungen

Anwendungen in der Metrologie

© Quelle: Bodo Kremmin / LUH
Von den Grundlagen zur Anwendung

Der Forschungsbereich B „Anwendungen in der Metrologie" vereint sechs Forschungseinheiten, die das Anwendungsgebiet vom Nanobereich einzelner Moleküle bis zur wahrhaft makroskopischen Größe von Gravitationswellen-Detektoren abdecken.

Von den Grundlagen zur Anwendung

Der Forschungsbereich B „Anwendungen in der Metrologie" vereint sechs Forschungseinheiten, die das Anwendungsgebiet vom Nanobereich einzelner Moleküle bis zur wahrhaft makroskopischen Größe von Gravitationswellen-Detektoren abdecken.

Zu den metrologischen Anwendungen der Forschungsbereichs B gehören

  • die Subwellenlängen-Bildgebung,
  • Quantengravimeter,
  • Inertialsensoren,
  • optische Uhren und deren Vergleich über Glasfasernetze mit
  • Anwendungen von der Geodäsie und Umweltüberwachung bis hin zu neuen Tests der Fundamentalphysik.

Viele dieser Anwendungen werden erst durch den Fortschritt der Quanten-Nanoengineering-Technologie innerhalb des Forschungsbereichs A möglich, der kompakte, integrierte und transportable Sensoren und Messauflösung bei und über der jeweiligen Standard-Quantengrenze ermöglicht.

FORSCHUNGSEINHEITEN B1-B6 / RESEARCH UNITS (RU) B1-B6

  • B1 “NanoLight”
    QUELLE: A.Waag

     

     

    Im Epitaxie-Kompetenzzentrum ec2 in Braunschweig, einem mit der OSRAM OS GmbH gemeinsam betriebenen Labor, das QuantumFrontiers Zugang zu modernster LED-Technologie ermöglicht, wurden nanoskalige optische Lichtquellen wie Nano-LED-Arrays entwickelt. Nanoskalige LED-Arrays ermöglichen Anwendungen mit strukturiertem Licht unterhalb der optischen Beugungsgrenze. Die linsenlose Mikroskopie wurde unter Ausnutzung der großen lateralen Kohärenzlänge nanoskaliger LEDs realisiert, mit einer möglichen Erweiterung auf die optische 3D-Tomographie. Innerhalb von QuantumFrontiers wird dies die Integration der Optoelektronik mit Atominterferenzexperimenten ermöglichen, die als Grundlage für zukünftige superkompakte optische Atomfallen dienen soll. Die elektromagnetische "Superauflösung" in der scannenden THz-Mikroskopie wurde auf der Grundlage supraleitender Quantenbauelemente entwickelt, die ultraschneller Elektronik und Einzelfluss-Quantenexperimente kombinieren.

    Innerhalb von QuantumFrontiers werden quantisierte Einzel-Elektronentransistoren verfolgt, die den Weg für hochmoderne rauscharme Stromquellen ebnen. Diese Systeme werden weiterentwickelt, um quantenoptische Interferenzexperimente mit Elektronen sowie neue Quantenstromstandards zu ermöglichen. Die atomar präzise räumliche Nanokontrolle der Injektion von Ladungsträgern in wohldefinierte einzelne Quantenobjekte wie Einzelatome oder Einzelmoleküle wurde durch die Tunnelverbindung eines Niedertemperatur-Rastertunnelmikroskops erreicht. Dies ermöglicht die Möglichkeit, quantisierten Strom in Quantensysteme mit der höchsten räumlichen Auflösung zu injizieren, mit einer möglichen Ausdehnung auf robuste Einzelphotonenemitter. 

  • B2 “Quantum Gravimetry and Inertial Sensing”

    Um die Gravimetrie signifikant voranzutreiben und Quanten-Tests der Universalität des freien Falles zu untersuchen, haben die Forscher von QuantumFrontiers einen wichtigen Durchbruch in der Leistung von Atom-Interferometern erzielt, indem sie die verschiedenen Hindernisse beseitigt haben, die den Einsatz von Bose-Einstein-Kondensaten (BEC) für die Interferometrie bisher verhindert haben.

    Der heilige Gral zur weiteren Verbesserung der Empfindlichkeit der Atominterferometrie bestand darin, das Signal in der Raumzeit zu verlängern und im freien Fall einen BEC zu erreichen, obwohl traditionelle Atomkühlmethoden inkompatibel sind. Zu diesem Zweck haben die Forscher von QuantumFrontiers sogar einen BEC-Atomlaser unter Mikrogravitationsbedingungen entwickelt, wie Freifallversuche am Fallturm in Bremen gezeigt haben. Diese ersten Studien werden in Zukunft durch den  Einstein-Elevator am Hannover Institute of Technology (HITec) an der Leibniz Universität Hannover ergänzt. 

    © Source: IQO
    Bose-Einstein-Kondensat im Freien Fall (Quelle: IQO)
  • B3 “Optical Clock Networks”
    Strontium Atomwolke bei wenigen Millikelvin über dem absoluten Nullpunkt in der optischen Uhr der PTB (Quelle: C.Lisdat/PTB)

    Die Forschenden von QuantumFrontiers spielen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung der nächsten Generation von optischen Uhren für die relativistische Geodäsie. Ihre Ytterbium-Ionen- und Strontium-Gitteruhren bilden die Grenze für die genauesten Geräte Europas und gehören international zur ersten Liga. In Zusammenarbeit mit mehreren externen Gruppen wurden faseroptische Verbindungen zwischen Hannover, Braunschweig, München, Paris und London eingerichtet, um optische Frequenzen über weite Strecken zu verbreiten. Dadurch können optische Uhren nun über weite Strecken ohne Verlust an Präzision verglichen und charakterisiert werden.

    Dieses von QuantumFrontiers-Forschernden initiierte Feld wird sich rasch erweitern, indem weitere Fernverbindungen, z.B. zu INRIM in Italien, und weitere internationale Standardlabore hinzugefügt werden. Innerhalb von QuantumFrontiers werden wir Multi-Ensemble-Uhren und neuartige Ansätze für stabile Frequenzreferenzen entwickeln, nicht-klassische Zustände und Ausleseverfahren für schnelle Taktvergleiche in der Größenordnung von 10-18 und darunter einsetzen. Darüber hinaus werden wir transportable optische Uhren auf ein neues Niveau der Integration und Zuverlässigkeit für den breiten Einsatz in der Geodäsie bringen. 

  • B4 “Relativistic Geodesy”

    Das Ziel von QuantumFrontiers ist es, neue Grenzen und Techniken für die Bestimmung des Gravitationsfeldes der Erde und seiner zeitlichen Variationen zu erforschen, indem man die globale und regionale Massenverteilung verfolgt. Das Verständnis der für diese Veränderungen relevanten Prozesse wie das Schmelzen der polaren Eisschilde, der Beitrag des Wassereinstroms zum Anstieg des Meeresspiegels und die Veränderungen im Wasserkreislauf ermöglicht es der wissenschaftlichen Gemeinschaft, den Klimawandel besser zu quantifizieren und zu begreifen.

    Das Geoid der Erde. Abbildung: ESA Das Geoid der Erde. Abbildung: ESA Das Geoid der Erde. Abbildung: ESA
    Das Geoid der Erde. Abbildung: ESA
  • B5 “Gravitational Wave Astronomy”
    © LIGO/T. Pyle
    LIGO/T. Pyle

    Die Forschenden von QuantumFrontiers sind weltweit führend in der Entwicklung von laserinterferometrischen Auslesesystemen für terrestrische und weltraumgestützte Gravitationswellendetektoren. Ein Großteil der theoretischen Arbeit und Technologieentwicklung, die die Advanced LIGO-Observatorien so viel empfindlicher machte, dass die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete erste direkte Detektion von Gravitationswellen möglich wurde, wurde von Forschern von QuantumFrontiers durchgeführt.

    Der von QuantumFrontiers-Forschenden betriebene Detektor GEO600 war der erste und ist immer noch das einzige Gravitationswellenobservatorium, das Quantenzustände des Lichts im Routinebetrieb nutzt, um seine Empfindlichkeit zu verbessern. Es dient als Entwicklungszentrum und Prüfstand für zukünftige Generationen von Gravitationswellenobservatorien. Die erfolgreiche Demonstration der Verbesserung der Empfindlichkeit des Detektors führte zu Plänen für den Einbau von gequetschten Lichtquellen in alle modernen Gravitationswellendetektoren. Und unsere Technologien sind integrale Bestandteile von Vorschlägen der dritten Generation von Observatorien wie dem Einstein-Teleskop (ET), das von einem europäischen Studienteam unter der Leitung von QuantumFrontiers-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern entwickelt wurde. Innerhalb von QuantumFrontiers werden wir unsere Rolle als "Think Tank" fortsetzen und die Grundlagen und die Technologie für die nächsten Generationen von Gravitationswellendetektoren mit deutlich verbesserter Reichweite untersuchen und entwickeln, die möglicherweise in der Fähigkeit gipfeln, den "Urknall" zu hören. Dazu werden wir alle Rauschquellen angehen, vom grundlegenden Photonenschussrauschen und Rückwirkungsrauschen über thermisches Rauschen bis hin zu technischen Rauschquellen, indem wir leistungsstarke faserbasierte Quellen von gequetschtem Licht und neuartige Rückwirkungsvermeidungs- und Quantenrauschunterdrückungstechniken einsetzen, nanostrukturierte Spiegel und Moden höherer Ordnung verwenden und quantenbegrenzte technische Rauschunterdrückungsvorrichtungen entwickeln. 

  • B6 “Tests of fundamental physics”

    Das QuantumFrontiers-Konsortium besteht aus Expertinnen und Experten auf dem Gebiet der Allgemeinen Relativitätstheorie und deren Test auf makroskopischer Ebene mit Lunar Laser Ranging, dem es gelang, eine mögliche zeitliche Verschiebung der Gravitationskonstanten auf einen Weltrekord von Ġ/G~1 x 10-131/yr festzulegen und verifizierte das Prinzip der starken Äquivalenz mit η~3 x 10-4. Darüber hinaus haben die Forschenden von QuantumFrontiers mit ihren Uhren die bisher strengsten Grenzwerte für eine mögliche zeitliche Variation dimensionsloser Fundamentalkonstanten, wie der Feinstrukturkonstanten und des Elektronen-Protonen-Massenverhältnisses, erreicht, die ihren Wert z.B. durch Kopplung an die dunkle Materie verändern sollen.

    Innerhalb von QuantumFrontiers werden wir die optische Taktleistung verbessern und empfindliche Systeme durch Quantenlogik-Spektroskopie zur Verfügung stellen, um diese Grenzwerte um mehr als eine Größenordnung weiter zu reduzieren und damit zum Ausschluss von Dunkelstoffkandidaten und zu einem Test auf CPT-Symmetrieverletzung beizutragen. Darüber hinaus werden wir klassische und Quanten-Tests der Relativitätstheorie durchführen, indem wir die Newtonschen Axiome untersuchen, verbesserte lokale Lorentz-Ivarianz, Rotverschiebung und Universalität von Freifalltests durchführen und mögliche grundlegende Quellen der Dekohärenz in stark delokalisierten Quantenobjekten untersuchen.

    © M.Mathey/HITec