Ein junger französischer Physiker namens Louis de Broglie stellte 1924 im Rahmen seiner Dissertation eine bahnbrechende Hypothese auf. Er postulierte darin, dass Teilchen mit Ruhemasse je nach Experiment auch mit Welleneigenschaften beschrieben werden können. Ein wegweisendes Experiment im Jahre 1927 von Clinton Davisson und Lester Germer an den Bell Laboratories bestätigte de Broglies Postulat samt berühmter Relation für die Wellenlänge von Materie. Die beiden Physiker verwendeten Elektronenstrahlen, deren Geschwindigkeit über eine Beschleunigungsspannung geregelt werden konnte und die kontrolliert am Metallgitter eines Nickelkristalls gestreut wurden. Die erste Demonstration der Interferenz von Elektronen gelang Gottfried Möllenstedt und Heinrich Düker 1956 in Tübingen. Sie lenkten einen Elektronenstrahl auf einen geladenen Quarzfaden und beobachteten dahinter Interferenzerscheinungen, ähnlich dem Fresnelschen Biprisma. Experimente mit Neutronen in Silizium-Einkristall-Interferometern wurden 1974 am Atominstitut der Österreichischen Hochschulen in Wien durchgeführt, entsprechende Versuche mit Atomen konnten erst 1991 erfolgreich umgesetzt werden. Zu diesem Zeitpunkt wurden fast zeitgleich Atominterferometer von mehreren Forschungsgruppen in Deutschland und den USA verwirklicht. Diese Experimente verwendeten zum einen mikrostrukturierte Spalte oder Beugungsgitter und zum anderen periodische Lichtgitter zur Teilung und Rekombination der atomaren Materiewellen. Die Grenze zwischen Mikro- und Makrokosmos ist Gegenstand aktueller Forschung Die Entwicklung von Techniken zur Laserkühlung und Präzisionsspektroskopie von Atomen führte in den Folgejahren dazu, dass verschiedene Lichtpuls-Interferometer auch mit kalten Atomensembles realisiert werden konnten. Mit Temperaturen der atomaren Gase von nur wenigen Millionstel Kelvin ermöglichen diese bei verbesserter Kontrolle längere Beobachtungszeiten im Interferometer und damit höhere Empfindlichkeiten. Kleinste Wechselwirkungen der Atome mit ihrer Umwelt resultieren in Phasenverschiebungen, die im jeweiligen Interferometer präzise vermessen werden können. Heutzutage sind solche Atominterferometer in vielen Laboratorien weltweit, aber auch außerhalb davon, in mobilen Aufbauten sowie auf Mikrogravitationsplattformen wie Falltürmen oder bei Parabelflügen im Einsatz. Interferometer auf Basis ultrakalter Materiewellen aus Bose-Einstein-Kondensaten wurden 2017 das erste Mal auf einer Höhenforschungsrakete im Weltraum demonstriert und sind Forschungsschwerpunkt zukünftiger Experimente auf der Internationalen Raumstation. Inzwischen bieten erste Unternehmen kommerzielle Instrumente an, was die Technologiereife von Atominterferometern und ihre Marktrelevanz unterstreicht. Aus der Vielzahl von interdisziplinären Anwendungen sei hier insbesondere die hochgenaue Messung von Beschleunigungs- und anderen Trägheitskräften wie Rotationen herausgestellt, zum Beispiel in der Geodäsie oder der Navigation. Auch in der Grundlagenforschung ermöglichte der Einsatz von Atominterferometern bemerkenswerte Resultate, von der Bestimmung der Gravitationskonstante oder auch der Feinstrukturkonstante bis hin zu fundamentalen Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Grenze zwischen Mikro- und Makrokosmos ist Gegenstand aktueller Forschung, einerseits durch die Prüfung quantenmechanischer Interferenz auf makroskopischen Distanzen und Dimensionen, andererseits durch Interferenzexperimente mit immer größeren Teilchen und Molekülen. In Zukunft könnten Gravitationswellen-Detektoren in sogenannten Langbasis-Atominterferometern klassische Instrumente in bestimmten Frequenzbändern durch ihre hohe Empfindlichkeit ergänzen. Holger Müller und Philipp Haslinger zeigen in ihrem Artikel ab S. 228, wie sich Atominterferometer für spannende Fragen der Grundlagenforschung nutzen lassen. Dazu zählen die bis dato genaueste Bestimmung der Feinstrukturkonstante, die Erforschung von Dunkler Energie durch sogenannte Chamäleon-Felder oder auch der erstmalige experimentelle Nachweis einer attraktiven Schwarzkörperstrahlung. Mit Ihrer Forschung gehen Müller und Haslinger an die „Grenze des Messbaren“ – mehr noch, sie leisten einen wichtigen Beitrag, diese Grenze stetig zu verschieben und Unentdecktes aufzudecken. Markus Krutzik arbeitet an der Humboldt-Universität zu Berlin und am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin. Er leitet eine Gruppe zu miniaturisierten Quantentechnologien für die Sensorik und Metrologie.
Ein junger französischer Physiker namens Louis de Broglie stellte 1924 im Rahmen seiner Dissertation eine bahnbrechende Hypothese auf. Er postulierte darin, dass Teilchen mit Ruhemasse je nach Experiment auch mit Welleneigenschaften beschrieben werden können. Ein wegweisendes Experiment im Jahre 1927 von Clinton Davisson und Lester Germer an den Bell Laboratories bestätigte de Broglies Postulat samt berühmter Relation für die Wellenlänge von Materie. Die beiden Physiker verwendeten Elektronenstrahlen, deren Geschwindigkeit über eine Beschleunigungsspannung geregelt werden konnte und die kontrolliert am Metallgitter eines Nickelkristalls gestreut wurden. Die erste Demonstration der Interferenz von Elektronen gelang Gottfried Möllenstedt und Heinrich Düker 1956 in Tübingen. Sie lenkten einen Elektronenstrahl auf einen geladenen Quarzfaden und beobachteten dahinter Interferenzerscheinungen, ähnlich dem Fresnelschen Biprisma. Experimente mit Neutronen in Silizium-Einkristall-Interferometern wurden 1974 am Atominstitut der Österreichischen Hochschulen in Wien durchgeführt, entsprechende Versuche mit Atomen konnten erst 1991 erfolgreich umgesetzt werden. Zu diesem Zeitpunkt wurden fast zeitgleich Atominterferometer von mehreren Forschungsgruppen in Deutschland und den USA verwirklicht. Diese Experimente verwendeten zum einen mikrostrukturierte Spalte oder Beugungsgitter und zum anderen periodische Lichtgitter zur Teilung und Rekombination der atomaren Materiewellen. Die Grenze zwischen Mikro- und Makrokosmos ist Gegenstand aktueller Forschung Die Entwicklung von Techniken zur Laserkühlung und Präzisionsspektroskopie von Atomen führte in den Folgejahren dazu, dass verschiedene Lichtpuls-Interferometer auch mit kalten Atomensembles realisiert werden konnten. Mit Temperaturen der atomaren Gase von nur wenigen Millionstel Kelvin ermöglichen diese bei verbesserter Kontrolle längere Beobachtungszeiten im Interferometer und damit höhere Empfindlichkeiten. Kleinste Wechselwirkungen der Atome mit ihrer Umwelt resultieren in Phasenverschiebungen, die im jeweiligen Interferometer präzise vermessen werden können. Heutzutage sind solche Atominterferometer in vielen Laboratorien weltweit, aber auch außerhalb davon, in mobilen Aufbauten sowie auf Mikrogravitationsplattformen wie Falltürmen oder bei Parabelflügen im Einsatz. Interferometer auf Basis ultrakalter Materiewellen aus Bose-Einstein-Kondensaten wurden 2017 das erste Mal auf einer Höhenforschungsrakete im Weltraum demonstriert und sind Forschungsschwerpunkt zukünftiger Experimente auf der Internationalen Raumstation. Inzwischen bieten erste Unternehmen kommerzielle Instrumente an, was die Technologiereife von Atominterferometern und ihre Marktrelevanz unterstreicht. Aus der Vielzahl von interdisziplinären Anwendungen sei hier insbesondere die hochgenaue Messung von Beschleunigungs- und anderen Trägheitskräften wie Rotationen herausgestellt, zum Beispiel in der Geodäsie oder der Navigation. Auch in der Grundlagenforschung ermöglichte der Einsatz von Atominterferometern bemerkenswerte Resultate, von der Bestimmung der Gravitationskonstante oder auch der Feinstrukturkonstante bis hin zu fundamentalen Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Grenze zwischen Mikro- und Makrokosmos ist Gegenstand aktueller Forschung, einerseits durch die Prüfung quantenmechanischer Interferenz auf makroskopischen Distanzen und Dimensionen, andererseits durch Interferenzexperimente mit immer größeren Teilchen und Molekülen. In Zukunft könnten Gravitationswellen-Detektoren in sogenannten Langbasis-Atominterferometern klassische Instrumente in bestimmten Frequenzbändern durch ihre hohe Empfindlichkeit ergänzen. Holger Müller und Philipp Haslinger zeigen in ihrem Artikel ab S. 228, wie sich Atominterferometer für spannende Fragen der Grundlagenforschung nutzen lassen. Dazu zählen die bis dato genaueste Bestimmung der Feinstrukturkonstante, die Erforschung von Dunkler Energie durch sogenannte Chamäleon-Felder oder auch der erstmalige experimentelle Nachweis einer attraktiven Schwarzkörperstrahlung. Mit Ihrer Forschung gehen Müller und Haslinger an die „Grenze des Messbaren“ – mehr noch, sie leisten einen wichtigen Beitrag, diese Grenze stetig zu verschieben und Unentdecktes aufzudecken. Markus Krutzik arbeitet an der Humboldt-Universität zu Berlin und am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin. Er leitet eine Gruppe zu miniaturisierten Quantentechnologien für die Sensorik und Metrologie.
Physik‐Nobelpreis für die Entwicklung von Laserkühlung und Atomfallen/…kurzgefaßt/Max Planck zum Gedenken/WE‐Heraeus‐Programm „Weiterbildung in den Grundlagen unternehmerischen Denkens und Handelns” jetzt auch für Fachhochschulen/Einstein im ADLON/…kurzgefaßt/Auf Lebenszeit Studierender? — Oder: Beitragsvermeidung durch Stillhalten/Frühjahrstagungen: Internet‐Adressen/Blick in die USA/Großbritannien: Diamond und JET/JET setzt Weltrekordmarken/Trägheitsfusion mit schweren Ionen im Aufwind/Trägheitsfusion/Erstes Bose‐Einstein‐Kondensat in Europa/Quasiteilchen mit gebrochenzahliger Ladung beobachtet/Laserlicht verwandelt sich in Materie
Physik-Nobelpreis fur die Entwicklung von Laserkuhlung und Atomfallen Der Franzose Claude Cohen-Tannoudji sowie die Amerikaner Steven Chu und William D. Phillips teilen sich zu je ein Drittel den diesjiihrigen Physik-Nobelpreis.Sie erhalten ihn fur ,,die Entwicklung von Methoden, die es erlauben, Atome mit Laserlicht zu kiihlen und einzufangen".Die der Laserkiihlung zugrundeliegende Idee geht auf das Jahr 1975 zuriick T. W. Hansch und A. L. Schawlow schlugen damals vor, die Wechselwirkung zwischen neutralen Atomen und Photonen auszunutzen, um den Atomen gezielt Energie zu entziehen und sie damit abzukiihlen.Dazu sollte eine Atomwolke von verschiedenen Seiten mit Laserlicht beleuchtet werden, das gegen einen atomaren iibergang leicht verstimmt ist.Aufgrund des Doppler-Effekts wiiren dann einzelne Atomc nur mit denjenigen Laserstrahlen in Resonanz, auf die sie sich zubewegen, und wiirden durch den Strahlungsdruck abgebremst.S. Chu und Mitarbeitern gelang es 1984 erstmals, diese Idee umzusetzen, und kurz danach, eine Wolke aus Natrium-Atomen bis zur theoretischen ,,Doppler-Grenze" von 0.24 mK abzukiihlen.Chu entwickelte 1987 gemeinsam mit D. Pritchard und basierend auf einer Idee des Cohen-Tannoudji-Schiilers J. Dalibard auch die magneto-optische Falle, in dcr sich eine Atomwolke mit Hilfe gegenlaufiger Laserstrahlen und eines schwachen Magnetfelds einsperren 1aRt -eine wichtige Voraussetzung f i r spatere Experimente, da die gekuhlten Atomwolken ansonsten allein schon aufgrund der Schwerkraft den Experimentatoren ,,entkommen" wiiren.1988 entdeckte W. D.
ZUSAMMENFASSUNG Kalte Quantengase und speziell die Bose-Einstein-Kondensation bilden seit ihrer ersten Realisierung im Jahr 1995 ein neues und schnell wachsendes Forschungsfeld.Interessante quantenmechanische Phänomene wie Materiewellen-Interferenzen, Superfluidität, Solitonen oder Bloch-Oszillationen werden in zahlreichen Laboren weltweit untersucht.Auf dem Gebiet der Quantensensorik können solche Kondensate als ideale kohärente atomare Quelle dienen.Quantensensoren bieten vielversprechende Anwendungen vom Gebiet der Geodäsie über die Metrologie bis hin zu wichtigen Fragestellungen der fundamentalen Physik wie z.B.Tests des Äquivalenzprinzips.Hochpräzise Inertialsensoren können mit frei fallenden Atomen realisiert werden, die Empfindlichkeit steigt dabei quadratisch mit der Flugzeit.Eine Erhöhung der Sensitivität auf diesem Wege stellt hohe Anforderungen an die Minimierung der Temperatur der atomaren Ensembles und an die Realisierung einer vibrationsarmen Umgebung.Die Schwerelosigkeit bietet bei vielen dieser Fragestellungen den Vorteil von bisher unerreichten Regimes der kältesten Temperaturen, Erreichen makroskopischer Dimensionen der Materiewellenlänge sowie lange und ungestörte freie Entwicklungszeiten im Sekundenbereich.Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur zur Realisierung eines Bose-Einstein Kondensates (engl."Bose-Einstein Condensate", BEC) in schwereloser Umgebung aufgebaut und das erste Bose-Einstein Kondensat unter Mikrogravitation verwirklicht.Für die Umsetzung des Projektes wurde als Mikrogravitationsplattform der Fallturm in Bremen gewählt, der mit 4,7 Sekunden freiem Fall, einer Repetitionsrate von 3 Experimenten am Tag, einer Mikrogravitationsgüte von ∆g/g < 10 -5 im Frequenzbereich von 0 bis 500 Hz und einer relativ leichten Zugänglichkeit zum Experiment die ideale Plattform darstellt.Der geringe Nutzraum von 170 cm Höhe und 60 cm Durchmesser, die Restriktion der zur Verfügung stehenden Energie durch Batterieversorgung, das maximal zulässige Gesamtgewicht von 500 kg sowie die notwendige Fernsteuerung des Experiments sind Rahmenbedingungen, die diesen Aufbau zum Prototypen eines mobilen BEC-Experiments für den Einsatz in ballistischen Raketen (TEXUS-Programm) oder im Weltraum (Raumstation ISS, Raumtransporter ATV) machen.Realisiert wird das Bose-Einstein-Kondensat durch einen Atomchip [1], der die benötigten Magnetfelder für die Speicherung und Manipulation der eingesetzten Rubidiumatome bereitstellt.Atomchips bieten den Vorteil der geringen Energieaufnahme bei gleichzeitiger Erreichung größter Magnetfeldgradienten, was die für das Erreichen eines Bose-Einstein Kondensates notwendige evaporative Kühlung in den temporalen Bereich von einer Sekunde bringt.Hierdurch erst lässt sich das BEC während des freien Falls von 4,7 Sekunden generieren.Die Planung und die Umsetzung des Experimentes zielten auf eine robuste Apparatur für den Einsatz unter hohen Abbremsbeschleunigungen (50 g) ab.Die Integration aller Komponenten in die Apparatur sowie die Optimierung der Bose-Einstein Kondensation erfolgte zunächst am Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität in Hannover und wurde nach Abschluss der Tests an das "Zentrum für angewandte Raumfahrt und Mikrogravitation, ZARM" überführt.Mit der Realisierung des ersten schwerelosen Kondensates am 13.11.2007folgte im März 2008 die erste freie Entwicklung eines Kondensates im Zeitraum von einer Sekunde.Mit diesem Experiment sind neue Wege für viele Anwendungen gerade im Bereich der hochpräzisen Messungen durch Atominterferometer oder der Untersuchung von Kondensaten auf makroskopischen Längenskalen geschaffen worden.Die Konvergenz von hochsensiblen optischen Systemen, kalten Quantengasen auf der einen Seite und weltraumtauglichen, kompakten und ferngesteuerten Experimenten auf der anderen Seite ist demonstriert.
ZusammenfassungRückblickend mag es sonderbar erscheinen, daß zwischen der Entdeckung der Teilcheneigenschaften von Wellen im Jahre 1905 und der Vermutung, die im Jahre 1924 angestellt wurde, daß die Umkehrung ebenfalls wahr sein könnte, zwei Jahrzehnte verstreichen mußten. Es ist jedoch nicht dasselbe, eine revolutionäre Hypothese aufzustellen, um sonst unverständliche Daten zu erklären, wie eine gleichermaßen revolutionäre Hypothese vorzuschlagen, ohne daß für sie eine zwingende Notwendigkeit vorhanden ist. Letzteres tat Louis de Broglie, als er vorschlug, daß Materie sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften besitzen sollte. Während jedoch die frühere Quantentheorie des Lichts von Planck und Einstein trotz ihrer Übereinstimmung mit dem Experiment kaum Aufsehen erregt hatte, fand de Broglies Vorstellung sofort Beachtung. Die Existenz der de Broglie-Wellen wurde zwar nicht vor 1927 demonstriert, das ihnen zugrundeliegende Dualitätsprinzip bot jedoch den Ausgangspunkt für Schrödingers erfolgreiche Entwicklung der Quantenmechanik im Jahre 1925.
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.
Kurzlich hat Louis de Broglie, ein Mitbegrunder der modernen Physik, die durch gewisse neuere Arbeiten von Bohr u. A. hervorgerufene Lage in der Beurteilung des Komplementaritatsbegriffes einer enneuten Priifung unterzogen und sieht sich dadurch auf Moglichkeiten gefuhrt, die im Gegensatz zur bisherigen Entwicklung, insbesondere auch zur Einstellung des Schopfers des Komplementaritatsbegriffes, Niels Bohr, stehen, den er gelegentlich den ,,Rembrandt der Physik" nennt, weil ihm das ,,clair-obscur" seiner Entwicklungen bedenklich erscheintalles selbstredend, ohne die grandiose Leistung des danischen Forschers zu verkennenl).Vielleicht sind zwei Grunde hieran beteiligt: Einmal ist der franzosische wisscnschaftliche Geist, zu dessen groBen Vertretern de Broglie zu rechnen ist, von jeher an begrifflich klarem Denken orientiert, wie schon die klassischen franzosischen Physiker: Lagrange, Laplace, Arago, Amp&e, Fresnel u.A,, beweisen; ferner ist aber die Problematik der Komplementaritat, wie die vieler anderer Begriffe von hochster Allgemeinheit, von der Art, daB auch die Philosophie daran ein berechtigtes Interesse nimmt.Die Einstellung Einsteins, auf den de Broglie Bezug nimmt, hat ja in der Tat gezeigt, daR die heutige Physik in zwei nach ihren Intentionen getrennte Lager zerfallt, deren eines sich an der allgemeinen Relativitatstheorie orientiert, wahrend das andere die quantenmechanische Einstellung bevorzugt.Das erste, dessen Fuhrer bis zu seinem Tode Einstein selbst gewesen ist, hat die strenge Logik der Grundeinstel- lung fur sich; es darf aber nicht verkannt werden, daR auch ihr ein grundsatzlich philosophischer Zug anhaftet.Bei Einsteins gegensatzlicher Einstellung zu Niels Bohrs Physik geht es geradezu um den Relativitatsbegriff der Physik, wie v .Weizsacker in seiner Arbeit ,,Einstein und Bohr" in klarster Formulierung herausgearbeitet hat2).Jenen philosophischen Grundzug der Relativitatstheorie hat Einstein selbst bekannt.An der Spitze der a11cenieinen Theorie steht ein Satz von philosophischer Allgeneinheit: In der Tat, wenn Bewegung etwas Reelles ist, wenn nur von Bewegung der Korper zueinander gesprochen werden kann, ist die Folgerung, daB Naturgesetze invariant gegenuber allen Koordinatentransformationen sein mussen, eine denknotwendige.Andererseits hat sich gezeigt, daR die philosophische Einstellung der fuhrenden Physiker im allgemeinen weitgehend ,,ihre eigene Erfindung" ist.Das muR zur Folge haben, daB sich der Philosophie gegenuber ein gewisses MiBtrauen einstellt.Die Komplementaritat in der von Bohr und Heisenberg vertretenen Form laBt eine Abhangigkeit vom beobachtenden Subjekt erkennen, insofern es vom Experiment abhangt, ob ein Elementarteilchen einen bestimmten Ort oder einen bestimmten Impuls hat.Dieses in den Unbestimmtheitsrelationen begrundete Verhaltnis ist die Grundlage der Quantenmechanik, wird aber von Einstein bekanntlich abgelehnt.Einstein erwartete eine kunftige Physik, die den Begriff einer an 1 ) 2)
Zusammenfassung Atominterferometer haben in den letzten Jahren große experimentelle Hürden gemeistert. So konnte mit ihnen vor kurzem der bis jetzt genaueste Wert der Feinstrukturkonstante bestimmt werden. Aber auch bei der Erforschung von Dunkler Energie lieferten sie wichtige Resultate. Selbst eine heftig debattierte, durch Schwarzkörperstrahlung hervorgerufene Kraft konnte experimentell nachgewiesen werden. In näherer Zukunft sind weitere bahnbrechende Entwicklung zu erwarten. Ein in einem optischen Resonator levitierendes Atominterferometer sollte die Empfindlichkeit und räumliche Genauigkeit von jetzigen Atominterferometern in der Messung von Kraftfeldern um viele Größenordnungen übertreffen. Das sollte viele neue spannende Experimente ermöglichen.