Teilchen im Takt

  • 27. April 2017

Mit Vielteilchensystemen das Schwerefeld vermessen – und nach Ände­rungen von Natur­konstanten suchen.

Hält das Jahrhunderte alte Wissen über Naturkonstanten den mittels heutiger Mess­methoden gewon­nenen Erkennt­nissen stand? Fragen wie dieser widmet sich der Sonder­forschungs­bereich „Designed Quantum States of Matter“, kurz DQ-mat, an dem Forscher der Uni Hannover, der PTB und des Zentrums für ange­wandte Raum­fahrt­techno­logie und Mikro­gravi­tation der Uni Bremen beteiligt sind. Der SFB ist auf eine Lauf­zeit von zwölf Jahren aus­gelegt. Für die ersten vier Jahre fördert die DFG das Vorhaben mit knapp zehn Milli­onen Euro.

Strontium-Wolke

Abb.: Beispiel für ein Vielteilchen-System: Strontium-Atom­wolke, herunter­gekühlt auf Tempe­ra­turen im Milli­kelvin-Bereich, in der optischen Uhr an der PTB. (Bild: C. Lisdat, QUEST)

„Unser jetziges Verständnis von Physik ist unvoll­ständig und könnte sich grund­legend ändern“, sagt Klemens Hammerer, stell­ver­tre­tender Sprecher des SFB. Grund­lage für die Über­prüfung von Natur­konstanten und physi­ka­lischen Theorien bilden neu­artige Mess­methoden, die der­zeit ent­wickelt werden. Dabei stützt sich DQ-mat auf zwei Forschungs­felder, die eng mitein­ander ver­zahnt sind, den Bereich A, der sich quanten­korre­lierten Mehr­teilchen­systemen widmet, und den Bereich B, der Quanten­metro­logie zur Über­prüfung von Grund­lagen der Physik behandelt. Beide Bereiche sind perfekt aufein­ander abge­stimmt: Erst durch genaue Kontrolle von Einzel- und Mehr­teilchen­systemen wird eine Über­prüfung physi­ka­lischer Gesetz­mäßig­keiten möglich.

Ähnlich wie das Pendel einer Uhr werden im Labor Atome zum Schwingen gebracht, aller­dings funktio­niert das bis­lang bei iso­lierten Teilchen am besten. Es ist viel schwie­riger, mehrere iden­tische Atome im Gleich­klang zum Schwingen zu bringen. Die Kontrolle von Quanten­systemen hat beispiels­weise die Ent­wick­lung von hoch­genauen optischen Uhren ermög­licht, die bis zu 18 Stellen hinter dem Komma die Zeit messen, oder von Materie­wellen-Inter­fero­metern, die Wellen­eigen­schaften von Quanten­teilchen aus­nutzen.

Im Rahmen des SFB wollen die Forscher jetzt erstmals kontrol­liert viele iden­tische Teilchen her­stellen, die im exakt gleichen Takt schwingen, um damit das Erd­schwere­feld mit bisher uner­reichter Genauig­keit zu vermessen. Basis hierfür bilden Experi­mente, die später in der Atom­fontäne im HiTec durch­ge­führt werden sollen. Um ihr Ziel zu erreichen, arbeiten Experten aus der Viel­teilchen-Physik, der Quanten­infor­mation, der Quanten­gase und der Metro­logie gemein­sam an der Ent­wick­lung neuer Methoden zur Erzeu­gung, Mani­pu­la­tion und Detek­tion von Quanten­zu­ständen. Die Unter­suchung dieser Zustände ermög­licht ein tie­feres Ver­ständ­nis der Quanten­eigen­schaften von Viel­teilchen-Systemen. Die Beherr­schung von Viel­teilchen-Effekten bildet eine der Grund­lagen für die Ver­bes­serung der Genauig­keit von Quanten­sensoren.

Diese neuen hochgenauen Messmethoden könnten die Über­prüfung grund­legender An­nahmen in der Physik ermög­lichen. Dazu gehören Fragen nach einer mög­lichen Ände­rung von Natur­konstanten, einer Ver­letzung funda­men­taler Symme­trien in der Physik und der Kopp­lung von Quanten­systemen an die Gravi­tation.

LUH / RK

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