Teilchen im Takt

Früher hatten es Entdecker leichter. Sie bestiegen ein Schiff und fuhren hinaus in die Welt. Moderne Entdecker arbeiten in Laboren und erforschen, ob das, was seit Jahrhunderten über Naturkonstanten bekannt ist, den Erkenntnissen mittels heutiger Messmethoden standhält. Fragen wie diesen widmet sich der Sonderforschungsbereich Designed Quantum States of Matter (SFB 1227 DQ-mat), an dem neben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Leibniz Universität Hannover auch Forscherteams der PTB in Braunschweig und des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen beteiligt sind.

Der SFB ist auf eine Laufzeit von zwölf Jahren ausgelegt. Für die ersten vier Jahre fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft das Vorhaben mit knapp zehn Millionen Euro. Die Funktion des Sprechers hat Prof. Dr. Piet. O. Schmidt übernommen.

„Unser jetziges Verständnis von Physik ist unvollständig und könnte sich grundlegend ändern“, sagt Prof. Dr. Klemens Hammerer, stellvertretender Sprecher des SFB. Grundlage für die Überprüfung von Naturkonstanten und physikalischen Theorien  bilden neuartige Messmethoden, die die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zurzeit entwickeln. 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 dies bislang nur bei isolierten Teilchen am besten, d.h. es ist viel schwieriger, mehrere identische Atome im Gleichklang zum Schwingen zu bringen. Die Kontrolle von sogenannten 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.

In Hannover wollen die Forscherinnen und Forscher nun erstmals kontrolliert viele identische Teilchen herstellen, die dann 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 Expertinnen und 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. „Der Übergang von Einzelteilchen zu Mehrteilchensystemen ist ein großer Schritt für die Metrologie und eröffnet bisher ungeahnte Anwendungsmöglichkeiten“, sagt Sprecher Prof. Dr. Piet O. Schmidt.

Diese neuen hochgenauen Messmethoden könnten die Überprüfung grundlegender Annahmen in der Physik ermöglichen. Dazu gehören z.B. Fragen nach einer möglichen Änderung von Naturkonstanten, einer Verletzung fundamentaler Symmetrien in der Physik und der Kopplung von Quantensystemen an die Gravitation. Mit ihrer Arbeit bilden die Forscherinnen und Forscher eine der Säulen für den geplanten Antrag aus der Quantenphysik zur Exzellenzinitiative.

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