Forschung
Task Groups

Die Werkbänke in QUEST - Task Groups

Die Aufgabe unserer Task Groups besteht darin, die spezifischen Forschungsvorhaben mit zentraler Bedeutung für QUEST durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit der Gruppen aus den verschiedenen Forschungsbereichen zu koordinieren und durchzuführen.

Unsere neun Task Groups stellen quasi die „Werkbänke“ des Clusters dar, in denen entweder Visionen in die Realität umgesetzt werden oder neue Forschungsschwerpunkte initiiert und gruppenübergreifend bearbeitet werden

INFORMATIONEN ZU DEN EINZELNEN TASK GROUPS

  • Physics of Spinor Systems

    Diese Task Group bündelt die gemeinsamen Forschungsarbeiten theoretischer und experimenteller Physiker auf den Gebieten der Quantenoptik und der Festkörperphysik, um ein besseres Verständnis der Physik der sogenannten Spinorsysteme zu gewinnen. Solche Systeme, bestehend aus Teilchen mit mehreren internen (Spin-)Zuständen, weisen durch das Wechselspiel zwischen äußeren und inneren Freiheitsgraden reichhaltige physikalische Eigenschaften auf.

    Die Forschergruppe befasst sich mit vier verschiedenen physikalischen Systemen, in denen die Spinorphysik eine entscheidende Rolle spielt:

    • Spinorgase als eine faszinierende neuartige Quelle für hochpräzise Messungen.
    • Spinorgase in sogenannten optischen Gittern und deren spannende Verknüpfung mit der Festkörperphysik.
    • Quasi-relativistische Physik in kalten Spinorgasen, die eine überraschende Ähnlichkeit mit der Hochenergiephysik aufweisen.
    • Spin-Rausch-Spektroskopie, ein wertvolles Werkzeug zur Analyse von Festkörpern sowie kalten Gasen.

    [TEXT: BILD PHYSICS OF SPINOR SYSTEMS]

    Spinor-Bose-Einstein-Kondensate stellen eine Quelle für nicht-klassische Materiewellen dar. Spinor-Bose-Einstein-Kondensate stellen eine Quelle für nicht-klassische Materiewellen dar. Spinor-Bose-Einstein-Kondensate stellen eine Quelle für nicht-klassische Materiewellen dar. © Quelle: C.Klempt/IQO
    Spinor-Bose-Einstein-Kondensate stellen eine Quelle für nicht-klassische Materiewellen dar. (Quelle: C.Klempt/IQO)

    Beteiligte Forschungsprojekte

    • Non-Classical States of Matter
    • Condensed Matter Physics with Cold Atoms
    • Artificial Electromagnetism
    • Spin-Noise Spectroscopy
  • Quantum Test of the Equivalence Principle

    Eines der großen Rätsel auf dem Gebiet der fundamentalen Physik ist die Vereinigung von Gravitation und Quantenmechanik. Vielversprechende Theorien erlauben Szenarien, die das Äquivalenzprinzip modifizieren könnten. Es postuliert die Gleichheit der trägen und der schweren Masse und führt zu einer universellen Fallrate für alle Körper, unabhängig von ihrer Zusammensetzung. Die Welleneigenschaften von Materie sind eines der faszinierendsten Phänomene der Quantenmechanik. Die Ausdehnung von Materiewellen unter dem Einfluss der Gravitation kombiniert Elemente der Gravitation und der Quantenmechanik. Die Task Group „Quantum Test of the Equivalence Principle“ entwickelt Methoden, um Materiewellen für Präzisionsmessungen wie die der universellen Ausdehnung unter dem Einfluss der Schwerkraft zu nutzen.

    Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können sehr effizient kohärente Materiewellen aus den Isotopen von Kalium und Rubidium formen und mithilfe von Materiewellen- Interferometern die Ausdehnung dieser Wellen sehr genau auf wenige Billionstel der Erdbeschleunigung vergleichen. Dies wird den ersten Quantentest des Äquivalenzprinzips durch den hochgenauen Vergleich der Evolution zweier Materiewellen darstellen. Die Empfindlichkeit sollte sich dabei durch die Ausdehnung der Dauer des freien Falls noch deutlich steigern lassen.

    Die Forschenden bereiten daher weiterführende Experimente im Fallturm und sogar im Weltraum vor. Ein erster Schritt, diese Herausforderung zu meistern, ist die Demonstration der Bose-Einstein-Kondensation unter den Bedingungen des ausgedehnten freien Falls mithilfe einer im Rahmen des Projektes QUANTUS (Quantengase unter Schwerelosigkeit) entwickelten Apparatur im 146 Meter hohen Fallturm in Bremen.

    Innenansicht des Fallturms in Bremen mit einer typischen Abwurfkapsel. Foto: ZARM Universität Bremen Innenansicht des Fallturms in Bremen mit einer typischen Abwurfkapsel. Foto: ZARM Universität Bremen Innenansicht des Fallturms in Bremen mit einer typischen Abwurfkapsel. Foto: ZARM Universität Bremen
    Innenansicht des Fallturms in Bremen mit einer typischen Abwurfkapsel. Foto: ZARM Universität Bremen
  • Transportable Ultra-stable Clocks

    Die Task Group „Transportable ultrastabile Uhren“ beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung von transportablen Uhren hoher Genauigkeit. Die besten heutigen optischen Uhren lassen sich nur noch am selben Ort mit ihrer vollen Genauigkeit vergleichen. Dabei sind die interessantesten Anwendungsbereiche dieser Uhren gerade außerhalb der Labore, beispielsweise im Weltraum, in der Satellitennavigation, bei der Vermessung der Erdoberfläche oder bei der Navigation von Raumsonden für interplanetare Missionen.

    Die Task Group untersucht verschiedene Methoden, Uhren für diese Anwendungen verfügbar zu machen. Dazu werden hochstabile optische Resonatoren entwickelt, die transportabel sind, ohne dabei ihre Qualitäten einzubüßen. Für Anwendungen, die eine hohe Absolutgenauigkeit benötigen, wird eine komplette optische Gitteruhr auf kleinsten Maßstab gebracht. Damit kann sie auch für Feldmessungen, wie zum Beispiel die relativistische Geodäsie, eingesetzt werden. Weitere Untersuchungen befassen sich mit den Verbesserungen, die genaue Uhren für die Geodäsie und Navigation mit sich bringen. Dazu wurde ein transportabler Wasserstoff-Maser der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) eingesetzt.

    Alternativ zum Transport der Uhr kann auch die optische Frequenz über Glasfasern, wie sie auch zur Telekommunikation verwendet werden, übertragen werden. In einem ersten Versuch wurde eine stabilisierte Verbindung zwischen der PTB in Braunschweig und dem Institut für Quantenoptik in Hannover über eine Faserstrecke von 73 Kilometer hergestellt. Der Beitrag der Faserverbindung zur Unsicherheit lag dabei weit unterhalb der Unsicherheit der beteiligten Uhren.

    Vibrationsunempfindlicher optischer Referenzresonator. Foto: PTB Braunschweig Vibrationsunempfindlicher optischer Referenzresonator. Foto: PTB Braunschweig Vibrationsunempfindlicher optischer Referenzresonator. Foto: PTB Braunschweig
    Vibrationsunempfindlicher optischer Referenzresonator. Foto: PTB Braunschweig

    Beteiligte Forschungsbereiche und Projekte

    • Forschungsbereich Quanten-Engineering
    • Forschungsbereich Quantensensoren
    • Forschungsbereich Neuartige Technologien
    • Variations of Fundamental Constants
      (Dr. Ekkehard Peik)
    • High Precision Modelling
      (Prof. Dr. Claus Lämmerzahl)
  • Variations of Fundamental Constants

    In dieser Task Group wird eine grundlegende Aussage der Physik infrage gestellt: Sind die sogenannten Naturkonstanten tatsächlich konstant? In verschiedenen theoretischen Modellen, die eine vereinheitlichte Beschreibung von Quantenphysik und Gravitation anstreben, wird eine Abhängigkeit, zum Beispiel der Stärke der elektromagnetischen Kräfte in Atomen, von Ort und Zeit vorhergesagt. Dies hätte unter anderem zur Folge, dass die Frequenz atomarer Spektrallinien zeitabhängig wird und damit Differenzen zwischen unterschiedlichen Atomuhren auftreten. Mit astro-physikalischen Beobachtungen in den Spektren interstellarer Gaswolken sucht man nach Hinweisen auf entsprechende Änderungen über große Zeiträume in der Entwicklung desUniversums.

    Ein wichtiger Test in unserem Planetensystem ist die Relativbewegung von Erde und Mond, die bereits über einige Jahrzehnte mittels gepulster Laser und der seit 1969 auf dem Mond installierten Reflektoren präzise vermessen wird. Die experimentelle Suche nach solchen Effekten an den Grenzen der heute erreichbaren Messgenauigkeit ist von großer Bedeutung, da der Nachweis einer Variabilität von Konstanten der Entwicklung der Theorie wichtige Leitlinien liefern könnte. Die Task Group bildet ein Diskussionsforum, das Resultate aus Laborexperimenten, Beobach- tungen und Theorie zu dieser interdisziplinären Fragestellung in QUEST verbindet und nach neuen Ansätzen und Methoden sucht.

    Aufbau einer optischen Uhr mit einem Yb+-Ion. Dieses System ermöglicht eine sehr empfindliche Suche nach einer Zeitabhängigkeit der Feinstrukturkonstanten. Foto: Aginmar/PTB Aufbau einer optischen Uhr mit einem Yb+-Ion. Dieses System ermöglicht eine sehr empfindliche Suche nach einer Zeitabhängigkeit der Feinstrukturkonstanten. Foto: Aginmar/PTB Aufbau einer optischen Uhr mit einem Yb+-Ion. Dieses System ermöglicht eine sehr empfindliche Suche nach einer Zeitabhängigkeit der Feinstrukturkonstanten. Foto: Aginmar/PTB
    Aufbau einer optischen Uhr mit einem Yb+-Ion. Dieses System ermöglicht eine sehr empfindliche Suche nach einer Zeitabhängigkeit der Feinstrukturkonstanten. Foto: Aginmar/PTB

    Beteiligte Forschungsbreiche

    • Forschungsbereich Quanten-Engineering
    • Forschungsbereich Raum-Zeit-Forschung
  • Third Generation Gravitational Wave Observatories

    Gravitationswellen erlauben die Beobachtung von Bereichen des Universums, die durch eine Beobachtung von elektromagnetischen Wellen nicht zugänglich sind. Dazu zählen beispielsweise das Innere von Supernova-Explosionen, Neutronensterne oder auch Ereignisse wie die Entstehung des Universums kurz nach dem Urknall. Obwohl die Existenz von Gravitationswellen durch die Änderung der Bahnperiode von Pulsaren in Doppelsternsystemen schon als erwiesen gilt, steht der direkte Nachweis der Beobachtung von durch Gravitationswellen verursachten Längenänderungen auf der Erde noch aus.

    In verschiedenen Ländern errichtete Gravitationswellen-Detektoren haben in der ersten Generation bereits über mehrere Jahre Messdaten aufgezeichnet. Sie stehen nun kurz davor, zur zweiten Generation von Detektoren ausgebaut zu werden, deren erhöhte Empfindlichkeit dann die Detektion von Gravitationswellen erwarten lässt. Um routinemäßig Signale beobachten zu können und diese dann detailliert zu analysieren, bedarf es allerdings einer dritten Generation von Detektoren, deren Empfindlichkeit etwa zwei Größenordnungen besser ist als die der ersten Generation.

    Geeint in dem Bestreben, ein solches Observatorium zu bauen, betreiben europäische Gravitationswellenforscher zurzeit eine konzeptionelle Design-Studie für einen Detektor der dritten Generation, die im 7. Europäischen Rahmenfor- schungsprogramm finanziert ist. Diese Gruppe beteiligt sich an dieser Studie mit der Erforschung von innovativen optischen Auslesetechniken und Detektortopologien, der Entwicklung von Hochleistungslasern, dem Studium der Eigenschaften neuer optischer Materialien, der Eignung von Alternativen zu dielektrischen optischen Beschichtungen, dem Potenzial und der Optimierung der Benutzung gequetschten Lichtes sowie den Anforderungen an Rechnerkapazitäten zur Analyse der aufgezeichneten Daten.

    Skizze einer möglichen unterirdischen Anordnung des Einstein-Teleskops mit einer Armlänge von zehn Kilometern etwa 100 Meter unter der Erde. Abbildung: Kees Huyser Skizze einer möglichen unterirdischen Anordnung des Einstein-Teleskops mit einer Armlänge von zehn Kilometern etwa 100 Meter unter der Erde. Abbildung: Kees Huyser Skizze einer möglichen unterirdischen Anordnung des Einstein-Teleskops mit einer Armlänge von zehn Kilometern etwa 100 Meter unter der Erde. Abbildung: Kees Huyser
    Skizze einer möglichen unterirdischen Anordnung des Einstein-Teleskops mit einer Armlänge von zehn Kilometern etwa 100 Meter unter der Erde. Abbildung: Kees Huyser
  • 10 m Prototype Interferometer

    Das 10 m Prototyp-Interferometer dient der Technologieentwicklung für den Gravitationswellendetektor GEO 600. Dies beinhaltet zum Beispiel neue Hochleistungslaser, sowie neuartige seismische Isolation und Techniken zur Reduktion von Quantenrauschen. Darüber hinaus ermöglicht die Prototypenalage mit ihrem großen Ultrahochvakuumsystem, der exzellenten seismischen Isolation, dem stabilen Hochleistungslaser und der digitalen Regeltechnik auch Experimente, die ansonsten nicht durchführbar wären. Ziel dieser Experimente ist, ein besseres Verständnis zu erlangen, wie quantenmechanische Effekte die makroskopische Welt beeinflussen.

    Dazu wird ein 10 m Michelson-Interferometer aufgebaut, das nur durch Quantenrauschen limitiert ist – Photonenschrotrauschen bei hohen und Quantenstrahlungsdrucksrauschen bei niedrigeren Frequenzen. Diese Empfindlichkeit wird als Standard-Quantenlimit (SQL) bezeichnet und wurde noch bis vor Kurzem als das fundamentale Limit der Interferometrie erachtet. Durch Anwendung neuartiger Techniken, wie beispielsweise die Einspeisung gequetschter Vakuumzustände, kann allerdings selbst diese Empfindlichkeit verbessert werden.

    Das SQL lässt sich nur unter Einsatz innovativer Techniken erreichen. Zur Reduktion des thermischen Rauschens werden die optischen Komponenten an Glasfasern als letzte Stufe von Mehrfachpendeln aufgehängt, welche auf interferometrisch stabilisierten Isolationstischen aufgebaut werden. Um das thermische Rauschen der Spiegelschichten zu verringern, werden anti-resonante Fabry-Perot Resonatoren eingesetzt.

    © AEI
    AEI 10 meter Prototyp Interferometer (Quelle:H.Lück/AEI)
  • Next Generation Gravity Field Missions

    Das Schwerefeld der Erde ist weder räumlich noch zeitlich konstant, wenn man genau genug hinsieht. Die kleinen Abweichungen enthalten eine Vielzahl von Informationen, zum Beispiel über die Struktur des Erdmantels, über Änderungen im globalen Wasserkreislauf oder über die Dicke der polaren Eismassen.

    Die gezielte Vermessung des Erdschwerefeldes mithilfe von Satelliten begann im Jahr 2000 und umfasst heute die Missionen CHAMP (Challenging Minisatellite Payload for Geoscience and Application), GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) und GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer). Die Missionen erfassen neue und einzigartige Daten, beispielsweise über das Abschmelzen des Grönlandeises oder die Absenkung des Grundwasserspiegels in Nordindien, aber auch in ganz anderen Bereichen. Vor allem die US/deutsche Mission GRACE hat das enorme Potenzial eines solchen Konzeptes aufgezeigt. Gleichzeitig hat GRACE aber auch klargemacht, wie viel mehr man mit genaueren Daten und höherer räumlicher Auflösung erreichen könnte. Für Fragen zu Änderun- gen im Erdsystem sind dabei Datenreihen über viele Jahre entscheidend.

    Diese Task Group spielt eine zentrale Rolle bei der Planung für eine Mission mit verbesserter Auflösung zur Fortsetzung und Verbesserung der Beobachtungszeitreihen. Dies ist nur in einer, in QUEST mittlerweile etablierten, multi-disziplinären Zusammenarbeit möglich. In QUEST befassen wir uns insbesondere mit der detaillierten Analyse aktueller GRACE-Daten, mit dem Design eines Laserinterferometers basierend auf LISA-Technologie, um das Mikrowellengerät von GRACE zu ersetzen und die Abstandsmessung um einen Faktor von mindestens 10 zu verbessern, und mit Designstudien der Satelliten.

    Prototyp der optischen Bank für ein satellitengestütztes Laserinterferometer im Reinraum. Foto: Marina Dehne Prototyp der optischen Bank für ein satellitengestütztes Laserinterferometer im Reinraum. Foto: Marina Dehne Prototyp der optischen Bank für ein satellitengestütztes Laserinterferometer im Reinraum. Foto: Marina Dehne
    Prototyp der optischen Bank für ein satellitengestütztes Laserinterferometer im Reinraum. Foto: Marina Dehne

    Beteiligte Forschungsprojekte und Institute

    • Precision Geodesy on Earth and in Space
      (Prof. Dr. Jakob Flury)
    • Next Generation Geodesy Missions
      (Dr. Benjamin Sheard)
    • Global Geodetic Observing System
    • (Prof. Dr. Jürgen Müller)
    • Atomic and Photonic Quantum Sensors
      (Prof. Dr. Ernst Rasel)
    • ZARM
    • PTB
  • Advanced Light Sources and Optical Materials

    Der überwiegende Anteil der QUEST-Forschungsprojekte benötigt spezielle Laserquellen und optische Materialien für das Erreichen der wissenschaftlichen Ziele. In einigen der Forschungsgruppen, vorwiegend aus dem Bereich „Neuartige Technologien“, werden genau diese Quellen und Materialien untersucht und weiterentwickelt sowie maßgeschneiderte Lösungen realisiert, die es ermöglichen, derzeitige wissenschaftliche Einschränkungen zu überwinden und Forschung jenseits der aktuellen Grenzen zu betreiben.

    Die Task Group „Advanced Light Sources and Optical Materials“ wurde hauptsächlich aus zwei Gründen in QUEST etabliert. Zum einen soll sie die Vernetzung innerhalb der Laser- und Optikforschungsgruppen optimieren. Hierfür wurde ein monatliches Seminar am Laser Zentrum Hannover etabliert, in dem die verschiedenen Gruppen ihre aktuellen Ergebnisse vorstellen und die derzeitigen Herausforderungen diskutiert werden. Somit ermöglicht dieses Seminar einen zeitnahen, effizienten und informellen Informationsaustausch zwischen diesen Forschungsgruppen. Zum anderen dient es auch als Schnittstelle zu den Laseranwendergruppen in QUEST, die hierdurch die Möglichkeit erhalten, direkt von den neuesten Ergebnissen in der Laser- und Optikentwicklung zu profitieren.

    Herstellung von optischen Komponenten im Labor am Laser Zentrum Hannover. Foto: LZH Herstellung von optischen Komponenten im Labor am Laser Zentrum Hannover. Foto: LZH Herstellung von optischen Komponenten im Labor am Laser Zentrum Hannover. Foto: LZH
    Herstellung von optischen Komponenten im Labor am Laser Zentrum Hannover. Foto: LZH
  • High Precision Modelling

    Die heute erreichbare Genauigkeit von Hochpräzisionsexperimenten erfordert bereits im Vorfeld eine sehr genaue Kenntnis der Apparatur und der auftretenden Effekte. Die einzelnen Bauteile der Experimente sind zum Teil Einflüssen ausgesetzt, die eine wesentliche Beeinträchtigung von Messergebnissen zur Folge haben können. So sind beispielsweise bei Laserexperimenten Linsen oder Spiegel sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, was Materialverformungen zur Folge haben kann.

    Die Optimierung des experimentellen Designs und die Identifikation der dominanten Effekte kann vor Beginn eines Experimentes nur durch eine entsprechende Modellierung erreicht werden. Ausgehend von erreichbaren Genauigkeiten aktueller Uhren und Resonatoren ergibt sich dabei eine notwendig anzustrebende Präzision der Modellierung von 10-20. Die Modellierung beinhaltet mechanische und thermische Spannungen und Deformationen, Wärmeleitung, Strahlungseinflüsse, den Einfluss äußerer Kräfte sowie die Berechnung von elektromagnetischen Feldern. Die Ergebnisse sind somit von Bedeutung für die Entwicklung optischer Uhren oder bei der Laser- und Atominterferometrie, die zum Beispiel auch bei Raumfahrtprojekten wie LISA (Laser Interferometer Space Antenna) oder bei satellitengestützter Erdvermessung Anwendung finden.

    Ein weiteres Forschungsthema, welches dem Vorhaben Quantum Engineering sehr nahe kommt, ist die hochpräzise Quantenmodellierung. Dabei werden numerisch die Grundzustände und auch die Dynamik von Quantenfeldern, zum Beispiel von Bose-Einstein-Kondensaten, aufwendig mit hoher Präzision berechnet. Diese Berechnungen sind ebenfalls wichtig für die Konzeption neuer Experimente wie auch für die Abschätzung von nachzuweisenden Effekten. Dies eröffnet auch die Modellierung der Kopplung von quantenmechanischen Systemen mit klassischen Objekten.