Gravitationswellen mit Atomwellen messen

Mit Atominter­ferometern lassen sich selbst extrem kleine Kräfte auf Atome bestimmen. Sie funktionieren nach denselben quanten­mechanischen Prinzipien wie optische Inter­ferometer, nur dass bei ihnen Materie­wellen schwerer Teilchen aufge­spalten werden und keine Lichtwellen. Anstelle des Strahl­teilers dienen Laserpulse zur Auftrennung und Mani­pulation der Teilwellen. Diese Teilwellen werden zur Inter­ferenz gebracht und reagieren extrem empfind­lich auf äußere Kräfte, weshalb sie sich zu Hoch­präzisions­messungen eignen. Ein Team ita­lienischer Wissen­schaftler um Guglielmo Tino von der Univer­sität Florenz hat nun die Möglich­keiten von Atominter­ferometern mit der außerge­wöhnlichen Takttreue von Strontium-Atomuhren kombiniert, die in den letzten Jahren große Fort­schritte gemacht haben.

Solche Atominter­ferometer lassen sich zu unter­schiedlichen Zwecken einsetzen. Entweder man nutzt ein einzelnes Inter­ferometer als Gravi­meter, um die Schwer­kraft auf die Strontium-Atome zu bestimmen. Hat man zwei Inter­ferometer simultan im Betrieb, lässt sich auch der Gradient des Gravitations­feldes zwischen beiden Appara­turen messen; dies entspricht dem Einsatz als Gradiometer. Hierzu wählten die Wissen­schaftler den optischen ¹S₀-³P₀-Übergang von Strontium-88, der bei einer Wellen­länge von 698 Nanometern statt­findet. Eine Wolke von größen­ordnungs­mäßig einer Million kalter Strontium-Atome wurde mit Hilfe eines optischen Gitters nach oben beschleunigt und befand sich danach im freien Fall. Dies entspricht der üb­lichen Konfi­guration von Atom­inter­ferometern als „Atom­fontäne“. Die Tempe­ratur der Strontium-Atome lag lediglich knapp über ein Mikro­kelvin. Dabei wurden die Atome durch eine Folge von unter­schiedlich pola­risierten Laser­pulsen in Resonanz mit dem optischen Übergang angeregt, was zu einer Phasen­verschiebung zwischen den beiden Armen des Inter­ferometers führte.

Danach bremste ein weiterer Puls von unten die Atome im Grund­zustand ab und sorgte so für eine Trennung von den Atomen im angeregten Zustand, die an­schließend mit einem Pump-Puls zum Teil wieder in den Grund­zustand befördert wurden. Den rela­tiven Anteil an Atomen im angeregten und im Grund­zustand ermit­telten die Forscher dann über das Fluoreszenz­licht, das ein blaues Licht­gitter mit 461 Nano­metern Wellen­länge hervor­rief.

Das Besondere an diesem Atom­inter­ferometer: Für jedes einzelne Strontium-Atom ist die Absorp­tion bzw. Emission eines einzelnen Photons für die Inter­ferenz entscheidend. Dabei ist der gewählte optische Übergang bei Strontium-88 eigent­lich verboten, kann aber durch ein externes Magnet­feld indu­ziert und präzise gesteuert werden. Die hohe Lebens­dauer dieses Übergangs macht man sich etwa bei ultra­genauen Atomuhren zunutze. Die Forscher nutzten einen sehr linien­treuen Laser mit einer Linien­breite von nur einem Hertz, um diesen optischen Übergang anzuregen. Um den gewünsch­ten Effekt zu erzielen, benö­tigten die Forscher starke Laser­pulse von bis zu 350 Milli­watt, bei gleich­zeitig extrem geringen Fluk­tuationen in der Weglänge zwischen dem „Uhren­laser“ und den Atomen.

Wie sich zeigte, ließ sich anhand der physi­kalisch günstigen Kombi­nation von sehr geringer Linien­breite des „Strontium-Uhren-Über­gangs“ und der ohnehin hohen Präzision von Atom­inter­ferometern eine hohe Güte erzielen. Insbe­sondere in der Betriebs­form als Gradio­meter mit zwei Strontium-Atom­wolken erlaubte der Aufbau eine deut­liche Verrin­gerung des Laser-Phasen­rauschens, was zu hohem Kontrast bei den Messungen führte, und zwar über einen Zeitraum von zehn Milli­sekunden, der bislang nur von den Dimen­sionen des Apparats limitiert ist.

Besonders interes­sant an den neuar­tigen Atominter­ferometer ist aber ein möglicher Einsatz als Gravitations­wellen-Detektor. Mit ihnen könnten Wellen­längen-Bereiche zugäng­lich werden, die sich mit herkömm­lichen Detek­toren wie LIGO und VIRGO nicht erschließen lassen und die sogar LISA nicht erreicht. Vor allem für tiefe und sehr tiefe Frequenzen könnten Atom­inter­ferometer bis­herige Gravitations­wellen-Detektoren ergänzen, die bislang auf der Techno­logie optischer Inter­ferometer basieren. Das würde nicht nur ganz neue Einblicke in diesen neuen Zweig der Physik ermög­lichen, sondern könnte auch zu vergleichs­weise kosten­günstigen Gravitations­wellen-Detektoren führen.

Darüber hinaus erwarten die Forscher auch neue Tests im Grenz­gebiet zwischen Quanten­physik und Allge­meiner Relativitäts­theorie, wie etwa durch Rotver­schiebung induzierte Deko­härenz oder die Suche nach leichter dunkler Materie. Für kommende ultra­präzise optische Atom­uhren ist zudem die genaue Kenntnis des ir­dischen Schwere­feldes von Bedeutung. Auch hier könnten neuar­tige Atominter­ferometer ihren Beitrag leisten.

Dirk Eidemüller

JOL