Quantensensoren, wie Atominterferometer und Atomuhren werden zu hochpräzisen und akkuraten Messungen von Inertialkräften und der Zeit benutzt und sind hervorragend dazu geeignet fundamentale Fragestellungen der Physik anzugehen und die Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen. Die Empfindlichkeit von Atominterferometern skaliert quadratisch mit der freien Entwicklungszeit und die Verwendung von Quantensensoren im Weltraum ist prädestiniert die Genauigkeit von Tests des Äquivalenzprinzips um mehrere Größenordnungen zu verbessern. Zusätzlich, werden präzise und akkurate Sensoren für Inertialkräfte, im Bereich der Navigation oder Geodäsie benutzt wo mobile auf Atominterferometrie basierende Geräte noch selten sind. Diese Arbeit trägt zur Entwicklung von hochempfindlichen und stabilen mobilen Quantensensoren bei. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden drei mobile Vergleichsmessungen der Erdbeschleunigung mit dem Atominterferometer GAIN an verschiedenen geographischen Orten durchgeführt. Die demonstrierte Stabilität von 5*10^-11 g nach 10^5 s übertrifft die Stabilität von klassischen Gravimetern. Mit dem Ziel von Weltraumgestützten Atominterferometern wurde ein kompaktes Lasersystem für den Betrieb von Atominterferometrie mit Rubidium Bose-Einstein Kondensaten auf Höhenforschungsraketen entworfen, qualifiziert und in Betrieb genommen. Zusätzlich wurden drei Nutzlasten für dein Einsatz auf Höhenforschungsraketen realisiert um die Reife der notwenigen Subsysteme zu zeigen. Dopplerfreie Laserspektroskopie an Rubidium und Kalium wurde verwendet um eine optische Frequenzreferenz zu realisieren und während der Flüge wurde mit einem Frequenzkamm zu vergleichen. Diese Messung stellt einen ersten Test der Lokalen Lorenz Invarianz im Weltraum dar. Diese Aktivitäten ebnen den Weg für den zukünftigen Einsatz von Quantensensoren im Weltraum die noch nie dagewesene Tests der fundamentalen Physik, Weltraumgeodäsie oder sogar Gravitationswellen ermöglichen.
Quantensensoren, wie Atominterferometer und Atomuhren werden zu hochpräzisen und akkuraten Messungen von Inertialkräften und der Zeit benutzt und sind hervorragend dazu geeignet fundamentale Fragestellungen der Physik anzugehen und die Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen. Die Empfindlichkeit von Atominterferometern skaliert quadratisch mit der freien Entwicklungszeit und die Verwendung von Quantensensoren im Weltraum ist prädestiniert die Genauigkeit von Tests des Äquivalenzprinzips um mehrere Größenordnungen zu verbessern. Zusätzlich, werden präzise und akkurate Sensoren für Inertialkräfte, im Bereich der Navigation oder Geodäsie benutzt wo mobile auf Atominterferometrie basierende Geräte noch selten sind. Diese Arbeit trägt zur Entwicklung von hochempfindlichen und stabilen mobilen Quantensensoren bei. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden drei mobile Vergleichsmessungen der Erdbeschleunigung mit dem Atominterferometer GAIN an verschiedenen geographischen Orten durchgeführt. Die demonstrierte Stabilität von 5*10^-11 g nach 10^5 s übertrifft die Stabilität von klassischen Gravimetern. Mit dem Ziel von Weltraumgestützten Atominterferometern wurde ein kompaktes Lasersystem für den Betrieb von Atominterferometrie mit Rubidium Bose-Einstein Kondensaten auf Höhenforschungsraketen entworfen, qualifiziert und in Betrieb genommen. Zusätzlich wurden drei Nutzlasten für dein Einsatz auf Höhenforschungsraketen realisiert um die Reife der notwenigen Subsysteme zu zeigen. Dopplerfreie Laserspektroskopie an Rubidium und Kalium wurde verwendet um eine optische Frequenzreferenz zu realisieren und während der Flüge wurde mit einem Frequenzkamm zu vergleichen. Diese Messung stellt einen ersten Test der Lokalen Lorenz Invarianz im Weltraum dar. Diese Aktivitäten ebnen den Weg für den zukünftigen Einsatz von Quantensensoren im Weltraum die noch nie dagewesene Tests der fundamentalen Physik, Weltraumgeodäsie oder sogar Gravitationswellen ermöglichen.
Atominterferometer erlauben es, Beschleunigungen mit bisher nicht erreichter Präzision zu messen. Anwendungen in der Grundlagenforschung beinhalten Gravitationswellendetektoren, die Bestimmung von Naturkonstanten oder Tests des schwachen Äquivalenzprinzips. Die Sensitivität eines Sensors für Tests des schwachen Äquivalenzprinzips skaliert quadratisch mit der Zeit der freien Entwicklung der Atome während der Interferometersequenz. Durch die Verwendung von Bose-Einstein-Kondensaten mit stark reduzierter Ausdehnungsgeschwindigkeit sowie dem Betrieb in Schwerelosigkeit kann die Sensitivität um Größenordnungen verbessert werden. Das QUANTUS-2 Experiment stellt die zweite Generation eines mobilen Atominterferometers dar, welches am Fallturm in Bremen zum Einsatz kommt und dient als Wegbereiter für zukünftige Experimente mit kalten Atomen auf Satelliten. Durch differentielle Messung der Beschleunigung von Rubidium und Kalium mit Hilfe der Atominterferometrie soll das schwache Äquivalenzprinzip getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das auf mikro-integrierten Diodenlasern sowie einer kompakten Elektronik basierende Rubidiumlasersystem aufgebaut und qualifiziert. Nach erfolgter Integration in die QUANTUS-2 Kapsel, wurden über 200 Abwürfe und Katapultflüge am Fallturm absolviert. Diese demonstrieren die Robustheit des Experimentes unter Beschleunigungen von bis zu 43 g während eines Katapultfluges. Die Dynamik des Kondensates wurde in Schwerelosigkeit untersucht und die Ausbreitungsgeschwindigkeit in allen drei Raumrichtungen mit Hilfe einer magnetischen Linse verringert. Die dabei erreichten Ausbreitungsgeschwindigkeiten entsprechen effektiven Temperaturen von unter 120 pK eines thermischen Ensembles. Dieser stellt den niedrigsten in allen drei Raumrichtungen erreichten Wert dar. Die gezeigten Ergebnisse demonstrieren somit die Verfügbarkeit wichtiger Schlüsselkonzepte zukünftiger hochpräziser Quantensensoren auf Satelliten.
Hochpräzise Atominterferometrie mit Bose-Einstein-Kondensaten hat das Potential Tests fundamentaler Physik mit bisher unerreichter Genauigkeit durchzuführen, sowie die Entwicklung neuartiger Sensoren für die Erdbeobachtung zu initiieren. Insbesondere schaffen Messungen mit Atominterferometern im Weltraum den Rahmen für Tests der allgemeinen Relativitätstheorie, der Suche nach dunkler Energie, satellitengestützter Erdbeobachtung und der Detektion von Gravitationswellen in einem auf der Erde nicht erreichbaren Regime. Die technischen Ansprüche einer Weltraummission unterscheiden sich grundlegend von denen eines Laboraufbaus. Neben einer Optimierung bezüglich der Masse, der Leistungsaufnahme und des Volumens muss die Apparatur autonom und wartungsfrei arbeiten, sowie robust gegen Vibrationen und Beschleunigungen während des Aufstiegs und Wiedereintritts in die Atmosphäre sein. Mit der MAIUS-1 Mission ist es am 23.01.2017 zum ersten Mal gelungen Bose- Einstein-Kondensate im Weltraum zu erzeugen. Erstmals wurde eine solche Apparatur an Bord einer Höhenforschungsrakete betrieben und hat Schlüsselmethoden für präzise Materiewelleninterferometrie demonstriert. In den insgesamt 13 Minuten des Parabelfluges befand sich die Nutzlast sechs Minuten lang über bei einer Höhe von 100km unter Mikrogravitationsbedingungen. Während des Starts und Aufstiegs konnten für eine Minute Experimente zum Kühlen und Fangen kalter atomarer Ensembles in dieser hochdynamischen Umgebung durchgeführt werden. In der Mikrogravitationsphase wurde der Phasenübergang zum Bose-Einstein- Kondensat mit mehr als 105 Rubidiumatomen untersucht. Die Präparation der ultrakalten Ensembles für die Interferometrie wurde charakterisiert und autonom vom System optimiert, wobei sich die Reproduzierbarkeit aller Prozesse zur Kühlung zeigte. Des Weiteren wurden Zwei-Photonen-Prozesse genutzt, um die Materiewelle in die Superposition von Impulszuständen zu überführen und zur Interferenz zu bringen. Somit konnte die Kohärenz über die gesamte Ausdehnung der Kondensate nachgewiesen werden. Mit jeder Licht-Materie-Wechselwirkung wurde eine zusätzliche Phasenmodulation auf die Materiewelle aufgeprägt. Diese Struktur wurde nach einer freien Evolutionszeit in der räumlichen Dichteverteilung sichtbar und konnte für weitere Analysen verschiedener Spinorkomponenten des Ensembles verwendet werden. Die Erkenntnisse zur Präparation der ultrakalten Ensembles und zur Interferometrie im Weltraum wie auch die entwickelten Technologien ermöglichen künftige Missionen.
Quantensensoren auf Basis ultra-kalter Atome sind gegenwärtig auf dem Weg ihre klassischen Pendants als Messintrumente sowohl in Präzision als auch in Genauigkeit zu überholen, obwohl ihr Potential noch immer nicht vollständig ausgeschöpft ist. Die Anwendung von Quantensensortechnologie wie Materiewelleninterferometern im Weltraum wird ihre Sensitivität weiter steigen lassen, sodass sie potentiell die genauesten erdbasierten Systeme um mehrere Grössenordnungen übertreffen könnten. Mikrogravitationsplattformen wie Falltürme, Parabelflugzeuge und Höhenforschungsraketen stellen exzellente Testumgebungen für zukünftge atominterferometrische Experimente im Weltraum dar. Andererseits erfordert ihre Nutzung die Entwicklung von Schlüsseltechnologien, die hohe Standards in Bezug auf mechanische und thermische Robustheit, Autonomie, Miniaturisierung und Redundanz erfüllen müssen. In der vorliegenden Arbeit wurden erste Interferometrieexperimente mit degenerieten Quantengasen in Schwerelosigkeit im Rahmen des QUANTUS Projektes durchgeführt. In mehr als 250 Freifall-Experimenten am Bremer Fallturm konnte die Präparation, freie Entwicklung und Phasenkohärenz eines Rubidium Bose- Einstein Kondensates (BEC) auf makroskopischen Zeitskalen von bis zu 2 s untersucht werden. Dazu wurde ein BEC-Interferometer mittels Bragg-Strahlteilern in einen Atomchip-basierten Aufbau implementiert. In Kombination mit dem Verfahren der Delta-Kick Kühlung (DKC) konnte die Expansionsrate der Kondensate weiter reduziert werden, was zur Beobachtung von effektiven Temperaturen im Bereich von 1 nK führte. In einem Interferometer mit asymetrischer Mach-Zehnder Geometrie konnten Interferenzstreifen mit hohem Kontrast bis zu einer Verweildauer von 2T = 677 ms untersucht werden.
Im Jahr 1991 wurde erstmals die Interferenz von Atomen experimentell nachgewiesen. Seitdem wird dieses Phänomen in vielen Bereichen der Grundlagenforschung angewendet, unter anderem zur Bestimmung von Naturkonstanten mit bisher unerreichter Genauigkeit oder für Tests des Äquivalenzprinzips. Grundsätzlich können auch geophysikalische Vermessungen des Schwerefeldes der Erde von dieser neuen Technik profitieren, allerdings waren Atominterferometrie-Experimente aufgrund ihrer Komplexität bisher nur in Laboren möglich. Erst kürzlich wurde mit der Entwicklung mobiler Atominterferometer begonnen, die nun die hochpräzise Messung von Rotationen, Gravitationsgradienten sowie der absoluten Schwerebeschleunigung außerhalb von Laboren ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein absolutes Gravimeter entwickelt, konstruiert und getestet. Es basiert auf Rb87-Atomen, die in einer Vakuumumgebung gefangen, gekühlt und senkrecht entgegen der Erdanziehung beschleunigt werden. Während des anschließenden freien Falls werden die atomaren Ensembles durch drei Raman Lichtpulse aufgespalten und rekombiniert. Die lokale Schwerebeschleunigung kann aus den resultierenden Interferenzmustern bestimmt werden, die abhängig von der Bewegung der Atome in einem Gravitationspotential sind. Wir haben den Wert der lokalen Schwerebeschleunigung, g, mit einer Auflösung von 1 : 10^10 bei einer Integrationszeit von 12 Stunden vermessen. Dies entspricht 2,2 * 10^-7 m/s^2/Sqrt(Hz). Mit dieser Genauigkeit konnten bereits zeitliche Veränderungen des lokalen Schwerefeldes registriert werden, hervorgerufen durch eine Vielzahl an Effekten wie Erd- und Ozeangezeiten oder atmosphärischen Variationen. In einem Vergleich unter ähnlichen Messbedingungen konnte unser Instrument die lokale Schwerebeschleunigung mit einer um fast eine Größenordnung höheren Genauigkeit bestimmen als ein herkömmliches Gravimeter.
Atom Interferometrie ist eine sehr genaue und sensitive Methode mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, zu der auch die Messung der Erdbeschleunigung zählt. Während die meisten Atom Interferometer aus großen, ortsfesten Aufbauten bestehen, werden auf diesem Gebiet häufig mobile Messgeräte benötigt. Das Gravimetric Atom Interferometer (GAIN) Projekt wurde ins Leben gerufen, um dieser zusätzlichen Anforderung bei bestmöglicher Messgenauigkeit gerecht zu werden. Es soll eine Alternative zu anderen modernsten Gravimetertypen geschaffen werden, die wichtige funktionale Eigenschaften wie eine hohe Auflösung und absolute Genauigkeit in einem Gerät vereint. Der GAIN Sensor verwendet lasergekühlte Rb87 Atome in einer 1 m hohen Fontäne. Mit Hilfe von stimulierten Raman Übergängen wird ein beschleunigungssensitives Interferometer realisiert. In dieser Arbeit wurde der Sensor mit Blick auf mobile und driftfreie Langzeitmessungen weiterentwickelt. Dafür wurden einzelne Subsysteme des Laseraufbaus auf die daraus resultierenden Anforderungen hin angepasst oder neu entwickelt. Mit derselben Zielstellung wurden weiterhin systematische Effekte in dem Messaufbau untersucht und Maßnahmen für ihre Reduzierung realisiert. Der Aufbau wurde transportiert und in relevanten Umgebungen getestet. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Leistungsfäigkeit dieses Aufbaus mit denen der wichtigsten und modernsten Gravimeter konkurieren kann, sie teilweise übertrifft und dass dieser Sensor zur präzisen Kalibrierung der relativen Gravimeter verwendet werden kann. In den Messungen wurde eine Sensitivität von 138 nm/s^2/Sqrt(Hz) sowie eine Langzeitstabilität von 5 x 10^−11 g über 10^5 s erreicht.
Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Apparatur zur Erzeugung ultrakalter Materie, die für den Einsatz an Bord einer Höhenforschungsrakete konzipiert ist und Experimente mit quantenentarteten Gemischen von Alkalimetallatomen in bis zu sechs Minuten freien Fall für ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf dem Lasersystemmodul der wissenschaftlichen Nutzlast MAIUS-B, das im Rahmen der QUANTUS-Kollaboration entwickelt wurde. Das implementierte Lasersystem ermöglicht die optische Kühlung von Rubidium-87- und Kalium-41-Atomen zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten durch Verdampfungskühlung in einer Magnetfalle. Der Aufbau umfasst zehn integrierte Laser, die Licht für magneto-optisches Einfangen, optische Molasse, Atomabfrage, Quantenzustandspräparation und Atominterferometrie liefern. Das Design kombiniert dazu faseroptische Module mit Freiraum-Strahlführung. Aufgrund der anspruchsvollen Bedingungen während des Raketenflugs erforderte das System eine hohe mechanische Stabilität und einen hohen Automatisierungsgrad. Die Steuerungssoftware führte kritische Aufgaben wie die Laserstabilisierung autonom aus und minimierte so den Bedarf an menschlichem Eingreifen während des Flugs. Die MAIUS-B-Nutzlast kam während der MAIUS-2-Sondierungsraketenmission zum Einsatz, deren Ziel es war, ultrakalte Gemische beider Atomarten in der Mikrogravitation zu erzeugen. Während der Mission trat bei einem der Kaliumlaser eine Anomalie auf. Diese Arbeit enthält daher eine detaillierte Analyse der Telemetriedaten und der Tests nach dem Flug, die die Identifizierung des Problems ermöglichten. Im Anschluss an die Mission wurde die Apparatur für den Betrieb in der Einstein-Elevator-Anlage in Hannover angepasst, wo es im Rahmen von Freifallversuchen erfolgreich die angestrebten quantenentarteten Gemische erzeugte.