QuantumFrontiers Erfolgsgeschichten: Quantensensorik für Geodäsie und Umweltmonitoring – QuantumFrontiers

Einzigartige transportable Instrumente

QuantumFrontiers hat die Verfügbarkeit und Robustheit der Quantenmetrologie so verbessert, dass Präzisionsmessungen für kritische Anwendungen in der Geodäsie und Umweltsensorik in größerem Umfang eingesetzt werden können. Die Forschenden von QuantumFrontiers haben Pionierarbeit bei der Entwicklung transportabler optischer Uhren geleistet, die heute eine noch nie dagewesene Messgenauigkeit (< 10^-17) erreichen. Sie wurden kürzlich zur Bestimmung des Höhenunterschieds zwischen der PTB in Braunschweig und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching eingesetzt. Die über 940 km Glasfaserkabel verbundenen Stationen wurden mit einer rekordverdächtigen Unsicherheit von nur 24 cm vermessen [3]. Ergänzend zu den Uhren haben die Forschenden von QuantumFrontiers das weltweit einzigartige transportable Quantengravimeter QG-1 entwickelt und optimiert. Es basiert auf einer Atomchip-Bose-Einstein-Kondensat-Quelle für hochgenaue Beobachtungen, war über eine Woche lang im Dauerbetrieb und erreichte dabei eine Genauigkeit von unter 10 nm/s² [4, 5].

Auf dem Weg zu universellen Sensoren

Im Bereich der interferometrischen Entfernungsmessung zwischen verschiedenen Raumsonden konnten QuantumFrontiers-Forschende Synergien mit der LISA-Mission nutzen und ein optisches Interferometer für die Satellitenmission Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) entwickeln [6]. Die Forschenden leiteten die Instrumentenentwicklung [7] für die bevorstehende MAGIC-Mission (Mass-Change and Geosciences International Constellation). Dazu gehörten neuartige Verfahren zur Bestimmung der Laserfrequenz [8], ein neuer optischer Sensorkopf für die Trägheitsmessung mit mehreren Freiheitsgraden [9] und verbesserte Lösungen für die Messung von Testmassen und Beschleunigungswerten [10]. Eingesetzt wurde GRACE-FO für die Untersuchung des globalen Wasserkreislaufs [11]. Eine Erweiterung dieser Erfolgsgeschichte in Richtung Umweltmetrologie ist die Expertise von J. Daniel Prades, der als Alexander-von-Humboldt-Professor an die TU Braunschweig berufen wurde. Er treibt die Aktivitäten des Exzellenzclusters im Bereich der universellen Metrologie durch die Entwicklung innovativer Sensorkonzepte voran und hält Leistungsrekorde bei chemischen Sensoren ohne Stromverbrauch, miniaturisierten Nanoheizungen und Mikro-LEDs, die für hochlokalisierte Bestrahlung optimiert sind [12-14].

Dieser Artikel ist Teil einer Serie über die Erfolge von QuantumFrontiers

Quantengestützter Gravitationswellen-Nachweis
Quanten- und Nanotechnologie von Atominterferometern und Uhren
Tests der Grundlagenphysik (erscheint demnächst)
Elektrische Quantenmetrologie (erscheint demnächst)
Vielteilchen-Quantensysteme (erscheint demnächst)
TrapFab, strukturiertes Licht und integrierte photonische Module (erscheint demnächst)
Strukturinitiativen (erscheint demnächst)

Alexander von Humboldt Professor Daniel Prades

Beteiligte Topical Groups

Publikationen

Literaturliste

[1] A. Vincent, J. Müller. Detection of time variable gravity signals using terrestrial clock networks.
Advances in Space Research 73, 3312–3320. doi:10.1016/j.asr.2023.07.058 (2024).

[2] A. Shabanloui, H. Wu, J. Müller. Estimation of Temporal Variations in the Earth’s Gravity Field Using Novel Optical Clocks Onboard of Low Earth Orbiters.
In: J.T. Freymueller, L. Sánchez (eds.) Gravity, Positioning and Reference Frames. REFAG 2022. IAG Symposia, vol 156. Springer, Cham. doi:10 . 1007/1345 _ 2023 _ 220 (2023).

[3] J. Grotti, I. Nosske, et int, C. Lisdat. Long-distance chronometric leveling with a portable optical clock.
Physical Review Applied 21. doi:10.1103/physrevapplied.21.l061001 (2024).

[4] C. Deppner, W. Herr, et int, E. M. Rasel. Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics.
Physical Review Letters 127. doi:10.1103/physrevlett.127.100401 (2021).

[5] J. Kirsten-Siemß, F. Fitzek, et int, K. Hammerer. Large-Momentum-Transfer Atom Interferometers with μ rad-Accuracy Using Bragg Diffraction.
Physical Review Letters 131. doi:10.1103/PhysRevLett.131. 033602 (2023).

[6] K. Abich, A. Abramovici, et int, M. Zimmermann. In-Orbit Performance of the GRACE Follow-on Laser Ranging Interferometer.
Physical Review Letters 123. doi:10.1103/physrevlett.123.031101 (2019).

[7] K. Nicklaus, K. Voss, et int, J. J. E. Delgado. Towards NGGM: Laser Tracking Instrument for the Next Generation of Gravity Missions.
Remote Sensing 14, 4089. doi:10.3390/rs14164089 (2022).

[8] M. Misfeldt, V. Müller, et int, G. Heinzel. Scale Factor Determination for the GRACE Follow-On Laser Ranging Interferometer Including Thermal Coupling.
Remote Sensing 15. doi:10.3390/rs15030570 (2023).

[9] V. Huarcaya, M. Dovale Álvarez, et int, G. Heinzel. Single-Element Dual-Interferometer for Precision Inertial Sensing: Sub-Picometer Structural Stability and Performance as a Reference for Laser Frequency Stabilization.
Sensors 23, 9758. doi:10.3390/s23249758 (2023).

[10] A. Kupriyanov, A. Reis, et int, J. Müller. Benefit of enhanced electrostatic and optical accelerometry for future gravimetry missions.
Advances in Space Research 73, 3345–3362. doi:10.1016/j.asr.2023.12.067 (2024).

[11] A. Klemme, T. Warneke, et int, C. Lämmerzahl. Sediment transport in South Asian rivers high enough to impact satellite gravimetry.
Hydrology and Earth System Sciences 28, 1527–1538. doi:10.5194/hess-28-1527-2024 (2024).

[12] M. W. G. Hoffmann, L. Mayrhofer, et int, J. D. Prades. A Highly Selective and Self-Powered Gas Sensor Via Organic Surface Functionalization of p-Si/n-ZnO Diodes.
Advanced Materials 26, 8017–8022. doi:10.1002/ adma.201403073 (2014).

[13] C. Fàbrega, O. Casals, F. Hernández-Ramírez, J. Prades. A review on efficient self-heating in nanowire sensors: Prospects for very-low power devices.
Sensors and Actuators B: Chemical 256, 797–811. doi:10.1016/j.snb.2017.10.003 (2018).

[14] N. Markiewicz, O. Casals, et int, J. D. Prades. Micro light plates for low-power photoactivated (gas) sensors.
Applied Physics Letters 114. doi:10.1063/1.5078497 (2019)

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