Materiewelleninterferometer messen Trägheitskräfte, atomare Eigenschaften und Größen wie den Photonenrückstoß oder die Gravitationskonstante mit höchster Präzision. Anwendung finden sie beispielsweise in sogenannten inertialen Quantensensoren zur Messung von Beschleunigungs- und Rotationskräften. Sie werden in der physikalischen Grundlagenforschung eingesetzt, beispielsweise beim terrestrischen oder weltraumgestützten Nachweis von Gravitationswellen, aber auch in der Erforschung von Klimawandelprozessen oder zur Verbesserung von Navigationsgeräten. Herzstück inertialer Quantensensoren sind Atominterferometer, in denen Materiewellen aufgeteilt und zur Interferenz wieder vereinigt werden. Empfindlichkeit und Genauigkeit steigen mit der Größe der von ihnen eingeschlossenen Raum-Zeitfläche. Bislang haben diese Interferometer die Länge eines Reisekoffers. Das reduziert die Einsatzmöglichkeiten. Ein Team von Forschenden der Leibniz Universität Hannover (LUH), des ZARM Bremen und des DLR-Instituts für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik hat jetzt eine Methode vorgestellt, welche die Entwicklung von großen Rotationssensoren in vergleichsweise kompakten Apparaturen mit handtellergroßen Interferometern ermöglicht. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.
Die neue Methode basiert auf dem Einsatz eines Doppelgitters. Das Interferometer besteht dabei aus zwei symmetrischen Armen, die gleichmäßig beschleunigt werden. Neu ist der Ansatz der Manipulation der Materiewellen in den gleichförmig entgegenlaufenden Gittern. Dies steigert die Effizienz und ermöglicht auf diese Weise den Rekord bei der Relativgeschwindigkeit der sich separierenden Wellen, so dass besonders große Flächen in kompakten Volumina eingeschlossen werden können. Dadurch kann ein größerer Raumzeit-Bereich in einem kleineren Gerät erzeugt werden.
Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen ermöglicht die Doppelgitter-Interferometrie zudem eine hohe Skalierbarkeit, die durch einen geringen Atom- und Kontrastverlust gekennzeichnet ist und im Experiment ausschließlich durch technische Eigenschaften des Gerätes begrenzt war. Damit bringt die Methode den Impulstransfer von Tausenden von Photonenrückstößen in Reichweite und eröffnet spannende Perspektiven für viele Anwendungen, insbesondere Gravitationswellendetektoren.
Die Arbeit entstand im Rahmen des DLR-Verbundprojektes QUANTUS. Weiterhin wurde es vom Exzellenzcluster QuantumFrontiers und dem Sonderforschungsbereich Designte Quantenzustände der Materie (DQ-mat) unterstützt, zwei Projekten des Forschungsschwerpunkts Quantenoptik und Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover, in dem mehr als 350 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an aktuellen Fragestellungen des Quantenengineering, der Gravitationswellenforschung, der Präzisionsmessung von Raum und Zeit, Licht und Materie sowie der Entwicklung von Lasersystemen und Atomuhren forschen.
Originalveröffentlichung:
Twin-lattice atom interferometry
Martina Gebbe, Jan-Niclas Siemß, Matthias Gersemann, Hauke Müntinga, Sven Herrmann, Claus Lämmerzahl, Holger Ahlers, Naceur Gaaloul, Christian Schubert, Klemens Hammerer, Sven Abend & Ernst M. Rasel
Nature Communications 12, 2544 (2021)
DOI: 10.1038/s41467-021-22823-8
