Mit Laserlicht zum Bodenschatz: Ein Quantensensor, der die Erdbeschleunigung messen kann

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03. September 2012

Mit Laserlicht zum Bodenschatz

Ein Quantensensor, der die Erdbeschleunigung messen kann

FBH-Forscher Andreas Wicht (r.) und Christian Kürbis

FBH-Forscher Andreas Wicht (r.) und Christian Kürbis

Forscher am Ferdinand-Braun-Institut in Adlershof, dem Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik, haben einen Miniaturlaser für einen tragbaren Quantensensor entwickelt. Dieser könnte unter anderem die Erdbeschleunigung mit großer Genauigkeit messen.

Es gibt technische Geräte, die einen großen Bekanntheitsgrad haben, obwohl es sie gar nicht gibt. Das kleine Kästchen zum Beispiel, das man aufklappen kann, um auf einem fremden Planeten erste Basisdaten zu bekommen über die Beschaffenheit des Bodens, der Atmosphäre oder mögliche intelligente Lebensformen. Der „Tricoder“ aus der Fernsehserie „Star Trek“ gehöre mit seiner Vielzahl von Funktionen sicherlich noch lange ins Reich der Science Fiction, meint Andreas Wicht vom Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Adlershof. „Der große Trend in der Sensortechnik geht aber tatsächlich in Richtung Miniaturisierung. Unser mikrointegrierter Diodenlaser kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten.“

Nur 40 Gramm schwer

Der Laser aus Adlershof mit acht mal zweieinhalb Zentimetern Grundfläche wiegt 40 Gramm, arbeitet extrem stabil auch bei Erschütterungen und die Wellenlänge seines Lichts lässt sich auf Millionstelbruchteile genau einstellen. Sein Herzstück ist eine Laserdiode aus dem Halbleitermaterial Gallium-Arsenid, die von Mikrochips gesteuert wird. „Herkömmliche Laser dieser Art wiegen zehn Kilogramm und haben die Ausmaße eines Schuhkartons“, sagt Andreas Wicht.

Einer der ersten Einsatzorte seines Miniaturlasers ist ein Quantensensor, der von einem internationalen Forscherteam entwickelt wird. Und das EU-Projekt mit dem Namen „iSense“ klingt dann doch ziemlich nach Science Fiction. Nicht nur, weil es tatsächlich ein tragbares, berührungsloses System zum Ziel hat, mit dem man geologische Informationen erhalten kann, etwa über Erdölvorkommen, Mineralienlagerstätten oder auch archäologische Fundgebiete. Vor allem zeigt es die Chuzpe, mit der heute Physiker die Merkwürdigkeiten der Quantenwelt für ihre Ziele ausnutzen.

Und das geht so: Man nehme eine kleine Wolke ultrakalter Rubidium-Atome, die in einer Vakuumkammer schwebt, nur wenige millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, in Position gehalten von einem Raster aus Laserlicht. Ein zweiter Laser regt nun einzelne Atome in einen höheren Energiezustand an. „Der Laser muss seine Energie eine gewisse Zeit einstrahlen, damit der Übergang mit Sicherheit stattfindet“, erläutert Wicht. „Der Trick ist nun, dass wir unseren Laser nur für die Hälfte dieser Zeit einschalten.“ Mit 50-prozentiger Wahrscheinlichkeit hat der Übergang dann schon stattgefunden, mit ebenfalls 50-prozentiger Wahrscheinlichkeit aber auch nicht. Nach den bizarren Regeln der Quantenmechanik gerät dadurch das Atom in eine Überlagerung dieser beiden Energiezustände. Lässt man diese beiden „Teile“ des Atoms für einen Moment unbeobachtet, dann befinden sie sich danach an unterschiedlichen Orten im Raum. Etwas salopp formuliert hat nämlich das Atom im Zustand höherer Energie vom Laser einen „Tritt“ bekommen, der es an eine andere Raumposition befördert.

Genauer Gravitationsmesser

„Ist nun die Erdbeschleunigung an den beiden Orten unterschiedlich, verändert das auch die Gesamtenergie des Atoms am jeweiligen Ort“, erzählt Wicht. Mit einem dritten Laserpuls beenden die Forscher dann den quantenmechanischen Überlagerungszustand – mit einem weiteren können sie feststellen, in welchem Energiezustand sich das Atom nun befindet. „Dieser Zustand ist ein Maß dafür, wie stark sich die Erdbeschleunigung an den beiden Orten unterschieden hat“, sagt Wicht. „Wir erhalten so einen hochgenauen Gravitationsmesser, wie er für geologische Untersuchungen notwendig ist.“

Da es sich bei dem Gerät im Prinzip um einen Beschleunigungssensor handelt, eignet es sich auch für Navigationszwecke, wenn die gewohnte Satelliten-Navigation nicht zur Verfügung steht, zum Beispiel bei Weltraummissionen oder auf U-Booten unter Wasser. Im Projekt „QUANTUS“ des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird eine ähnliche Apparatur mit dem Adlershofer Laser im Jahr 2013 in einer Höhenforschungsrakete starten. Im sechsminütigen freien Fall soll dann überprüft werden, ob wirklich alle Körper – also auch einzelne Atome – unabhängig von ihrer Masse gleich schnell fallen. Eine These, die Galileo Galilei bereits 1592 in Padua aufgestellt hatte.

von Wolfgang Richter

www.fbh-berlin.de

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