Quantensensorik auf Basis der Atominterferometrie bietet die Möglichkeit driftfreier und absoluter Rotations- und Beschleunigungsmessungen. Potentielle Anwendungsgebiete finden sich im Bereich der Gravimetrie und der Positionsbestimmung, im letzteren Fall durch den Einsatz atominterferometrischer Sensoren in einer Inertialmesseinheit oder auch der Navigation nach Schwerefeldkarten. Dieses bietet die Perspektive einer reduzierten Abhängigkeit von GNSS. In diesem Beitrag werde ich das Prinzip der Atominterferometrie erläutern, ausgewählte aktuelle Entwicklungen benennen sowie relevante Entwicklungsaktivitäten im DLR vorstellen und diskutieren.
Quantensensorik auf Basis der Atominterferometrie bietet die Möglichkeit driftfreier und absoluter Rotations- und Beschleunigungsmessungen. Potentielle Anwendungsgebiete finden sich im Bereich der Gravimetrie und der Positionsbestimmung, im letzteren Fall durch den Einsatz atominterferometrischer Sensoren in einer Inertialmesseinheit oder auch der Navigation nach Schwerefeldkarten. Dieses bietet die Perspektive einer reduzierten Abhängigkeit von GNSS. In diesem Beitrag werde ich das Prinzip der Atominterferometrie erläutern, ausgewählte aktuelle Entwicklungen benennen sowie relevante Entwicklungsaktivitäten im DLR vorstellen und diskutieren.
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.
Die Interferometrie von Materiewellen, d. h. die Nutzung der Welleneigenschaften der Materie durch die Manipulation der internen Zustände von Atomen mittels Lasern, wird für den Einsatz in der Geodäsie zunehmend interessanter. Dieser Beitrag gibt eine kurze Einführung in den theoretischen Hintergrund der Atominterferometrie und beschreibt Einsatzmöglichkeiten in der Geodäsie mit dem Schwerpunkt Gravimetrie. Am Beispiel verschiedener Geräte werden zurzeit limitierende Faktoren in der relativen und absoluten Gravimetrie dargestellt und das Potenzial der neuen Technik aufgezeigt. Besonderes Augenmerk wird dabei auf den mobilen Einsatz außerhalb kontrollierter Laborumgebungen gelegt, eine wichtige Voraussetzung für den zukünftigen geodätischen Einsatz.
In den letzten Jahrzehnten hat die Quantentechnologie rasante Fortschritte gemacht. Die sich daraus ergebenden Anwendungen und Möglichkeiten dringen immer stärker in das Bewusstsein der interessierten Menschen und finden ihren Niederschlag in der medialen Begleitung. Parallel dazu bahnt sich ein Paradigmenwechsel im Unterricht über Quantenphysik sowohl an der Schule als auch an der Universität an. Insbesondere treten die vielfach diskutierten Interpretationsfragen in den Hintergrund und machen einer pragmatischen Betrachtungsweise Platz, die die Besonderheiten der Quantenphysik als gegeben akzeptiert und sie für neue bislang ungeahnte Anwendungen nutzt. Dabei stellt sich die Frage, welche Aspekte für den Schulunterricht auf verschiedenen Stufen, für die universitäre Ausbildung von Physikern und von Ingenieuren von besonderer Bedeutung sind. In diesem Vortrag werde ich mich auf den Bereich der Quanteninformatik konzentrieren und ausloten, welche Aspekte sich hierbei im Sinne einer Allgemeinbildung als relevant und realisierbar für den schulischen Unterricht erweisen können.
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.
Diese Dissertation beschäftigt sich in einem weiten Sinn mit der Wechselwirkung von Atomen und Strahlungsfeld in nichtinertialen Bezugssystemen und in Anwesenheit von Gravitationsfeldern sowie den daraus folgenden Konsequenzen in der Atominterferometrie. Ausgehend von kovarianten Feldgleichungen werden allgemein-relativistische Korrekturterme zu den wichtigsten Gleichungen und Methoden der Quantenoptik hergeleitet. Im einzelnen sind dies die Pauli-Gleichung, die Dipolkopplung zwischen Atom und Strahlungsfeld, die Reduktion des atomaren Hilbert-Raumes auf wenige Zustände und die Quantisierung des Maxwell-Feldes. Dieser Formalismus wird dann dazu verwendet, die durch Beschleunigung, Rotation und Raum-Zeit-Krümmung verursachte Phasenverschiebung in Atominterferometern herzuleiten. Die dabei verwendete Methode ist rein algebraisch und baut auf der unitären Zeitentwicklung der Atome auf. Das Ergebnis gibt die Phasenverschiebung für beliebige Atominterferometer an, die Laser als Strahlteiler verwenden. Insbesondere ergibt sich, daß die durch die Beschleunigung induzierte Phasenverschiebung unabhängig vom Anfangszustand der Atome und linear in der Beschleunigung ist. Für das Ramsey- Interferometer wird diese Methode für eine umfangreiche Klasse äußerer Potentiale mit der WKB-Methode verglichen. Eine detaillierte Abschätzung für existierende Interferometer und leichter Modifikationen davon zeigt schließlich, daß diese Geräte dazu geeignet sein sollten, den bislang noch nicht experimentell abgesicherten Einfluß der Raum-Zeit-Krümmung auf Atome nachzuweisen. In einem anderen Teil dieser Arbeit wird der Begriff der Fermi-Koordinaten in der Relativitätstheorie untersucht. Der allgemeine Ausdruck für die Metrik in den Fermi-Koordinaten eines Beobachters im schwachen Gravitationsfeld wird hergeleitet. Da Fermi-Koordinaten nur in einer Umgebung des Beobachters konstruiert werden können, kommen sie nicht als Definition des Bezugssystems
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.