05.06.2024

Nächste Generation ultrapräziser Messinstrumente

Sonderforschungsbereich DQ-mat erhält weitere vier Jahre Förderung für die Entwicklung von Quantensensoren.

Noch immer sind grundlegende Fragen der Physik offen. Woraus ein Großteil des Universums besteht, ist unklar, denn die rätselhafte dunkle Materie konnte bislang nicht aufgespürt werden. Den bekannten Naturgesetzen zufolge müsste sie jedoch existieren, um das Universum zusammenzuhalten. Die Theorien zu Gravitation und Quantenmechanik sind zwar in sich schlüssig und etabliert, können bisher aber nicht in einer einheitlichen Formel vereint werden.

Abb.: In Laserlaboren wie diesem forschen die Wissenschaftler in DQ-mat an den...
Abb.: In Laserlaboren wie diesem forschen die Wissenschaftler in DQ-mat an den Quantensensoren von morgen.
Quelle: Hosan / LUH

Im Sonderforschungsbereich DQ-mat kooperieren mehr als sechzig Physikerinnen und Physiker der Leibniz Universität Hannover (LUH) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, um ihren Teil zur Beantwortung dieser und anderer fundamentaler Fragen beizutragen. Sie bringen komplexe Quantenphysik und hochpräzise Messverfahren zusammen, um neuartige Quantensensoren für extrem genaue Messgeräte zu entwickeln. Seit dem Start des Verbunds im Jahr 2016 hat er sich zum deutschen Zentrum für Quantenmetrologie entwickelt und ist auch weltweit führend auf diesem Gebiet. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat jetzt eine Verlängerung um weitere vier Jahre bewilligt und fördert den Sonderforschungsbereich mit rund zehn Millionen Euro.

Ich freue mich sehr über die Verlängerung des Sonderforschungsbereichs DQ-mat und danke den beteiligten Forschern für ihr großes und dauerhaftes Engagement“, sagt Volker Epping, Präsident der Leibniz Universität Hannover. „Dieser Erfolg trägt zur Stärkung des Forschungsschwerpunkts Quantenoptik und Gravitationsphysik an unserer Universität bei, er vertieft die guten und gewachsenen Beziehungen zwischen den Partnern Leibniz Universität, PTB und DLR-SI und er kann unterstützend für den Folgeantrag unseres Exzellenzclusters QuantumFrontiers wirken.“

Wir freuen uns außerordentlich über diese Bestätigung unserer Arbeit, denn wir sind an einem ganz spannenden Punkt”, sagt Piet Schmidt, Physikprofessor an LUH und PTB und Sprecher des Sonderforschungsbereichs. „Wir wissen, dass im großen physikalischen Bild etwas fehlt und wir können mit unseren Experimenten und den zugehörigen theoretischen Grundlagen im Sonderforschungsbereich wirklich dazu beitragen, diese Lücken zu schließen.“ DQ-mat vereint Experten aus den Bereichen Metrologie und Quantenoptik sowie aus der Vielteilchenphysik und der Quanteninformation und schafft so eine einzigartige Kombination.

Schon jetzt gehören die Messinstrumente der DQ-mat-Forscher zu den genauesten der Welt. Doch um der Lösung der großen Fragen der Physik näher kommen zu können, benötigen sie noch einmal deutlich genauere Geräte. Im Sonderforschungsbereich entwickeln sie daher die nächste Generation von Quantensensoren für noch sensiblere, schnellere und höher aufgelöste Messgeräte wie Atomuhren oder Atominterferometer. In Verbindung mit Methoden der Quantentechnologie wollen die Wissenschaftler so das volle Potenzial der Quantenmechanik in Präzisionsmessungen ausschöpfen. Ihr Ziel sind bis zu hundertfach genauere oder schnellere Messungen.

Wichtige Erfolge haben die Forscher bereits in der jetzt endenden zweiten Förderperiode verbucht. So konnten sie in diesem Frühjahr den Atomkern des Elements Thorium-229 zu einem Quantensprung anregen. Was unspektakulär klingt, war jahrzehntelang nicht gelungen und ist ein wissenschaftlicher Durchbruch. Er öffnet die Tür für neuartige Atomkern-Uhren, die noch einmal deutlich genauer sein könnten als heutige Atomuhren. Auf der Suche nach dunkler Materie haben die Forscher kürzlich die bisher genaueste Suche nach ultraleichten dunkle Materie-Teilchen realisiert. Auch wenn noch kein entsprechender Nachweis gelungen ist, ihre Beschaffenheit konnte damit weiter eingegrenzt werden. 

DQ-mat-Experimente reichten sogar bis zur Internationalen Raumstation. Dort waren sie im vergangenen Jahr an der erstmaligen Erzeugung einer Quantengas-Mischung beteiligt, die aus zwei Arten von Atomen besteht. Damit entstehen völlig neue Möglichkeiten, bisher nur auf der Erde verfügbare Quantentechnologien ins All zu bringen, aber auch um etwa Einsteins Äquivalenzprinzip zu testen. Insgesamt haben die Forscher ihre Ergebnisse in mehr als 170 wissenschaftlichen Veröffentlichungen publiziert, über einhundert Fachvorträge gehalten und 25 Workshops und Konferenzen organsiert.

Der Sonderforschungsbereich 1227: Designte Quantenzustände der Materie (DQ-mat) – Herstellung, Manipulation und Detektion für metrologische Anwendungen und Tests fundamentaler Physik ist an der Leibniz Universität Hannover angesiedelt. Verbundpartner ist das nationale Metrologieinstitut Deutschlands, die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, sowie in der dritten Förderperiode auch das DLR-Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik in Hannover. Die dritte und letzte Förderperiode läuft bis Ende Juni 2028.

U. Hannover / DE

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