Von de Broglie zur Dunklen Energie
Interferometer gibt es seit langem, ganz neue Möglichkeiten eröffnen bieten solche Instrumente für Materiewellen.
Ein junger französischer Physiker namens Louis de Broglie stellte 1924 im Rahmen seiner Dissertation eine bahnbrechende Hypothese auf. Er postulierte darin, dass Teilchen mit Ruhemasse je nach Experiment auch mit Welleneigenschaften beschrieben werden können.
Ein wegweisendes Experiment im Jahre 1927 von Clinton Davisson und Lester Germer an den Bell Laboratories bestätigte de Broglies Postulat samt berühmter Relation für die Wellenlänge von Materie. Die beiden Physiker verwendeten Elektronenstrahlen, deren Geschwindigkeit über eine Beschleunigungsspannung geregelt werden konnte und die kontrolliert am Metallgitter eines Nickelkristalls gestreut wurden.
Die erste Demonstration der Interferenz von Elektronen gelang Gottfried Möllenstedt und Heinrich Düker 1956 in Tübingen. Sie lenkten einen Elektronenstrahl auf einen geladenen Quarzfaden und beobachteten dahinter Interferenzerscheinungen, ähnlich dem Fresnelschen Biprisma. Experimente mit Neutronen in Silizium-Einkristall-interferometern wurden 1974 am Atominstitut der Österreichischen Hochschulen in Wien durchgeführt, entsprechende Versuche mit Atomen konnten erst 1991 erfolgreich umgesetzt werden. Zu diesem Zeitpunkt wurden fast zeitgleich Atominterferometer von mehreren Forschungsgruppen in Deutschland und den USA verwirklicht. Diese Experimente verwendeten zum einen mikrostrukturierte Spalte oder Beugungsgitter und zum anderen periodische Lichtgitter zur Teilung und Rekombination der atomaren Materiewellen.
Die Entwicklung von Techniken zur Laserkühlung und Präzisionsspektroskopie von Atomen führte in den Folgejahren dazu, dass verschiedene Lichtpuls-Interferometer auch mit kalten Atomensembles realisiert werden konnten. Mit Temperaturen der atomaren Gase von nur wenigen Millionstel Kelvin ermöglichen diese bei verbesserter Kontrolle längere Beobachtungszeiten im Interferometer und damit höhere Empfindlichkeiten. Kleinste Wechselwirkungen der Atome mit ihrer Umwelt resultieren in Phasenverschiebungen, die im jeweiligen Interferometer präzise vermessen werden können.
Heutzutage sind solche Atominterferometer weltweit in vielen Laboratorien, aber auch außerhalb davon, in mobilen Aufbauten sowie auf Mikrogravitationsplattformen wie Falltürmen oder bei Parabelflügen im Einsatz. Interferometer auf Basis ultrakalter Materiewellen aus Bose-Einstein-Kondensaten wurden 2017 das erste Mal auf einer Höhenforschungsrakete im Weltraum demonstriert und sind Forschungsschwerpunkt zukünftiger Experimente auf der Internationalen Raumstation. Inzwischen bieten erste Unternehmen kommerzielle Instrumente an, was die Technologiereife von Atominterferometern und ihre Marktrelevanz unterstreicht.
Aus der Vielzahl von interdisziplinären Anwendungen sei hier insbesondere die hochgenaue Messung von Beschleunigungs- und anderen Trägheitskräften wie Rotationen herausgestellt, zum Beispiel in der Geodäsie oder der Navigation. Auch in der Grundlagenforschung ermöglichte der Einsatz von Atominterferometern bemerkenswerte Resultate, von der Bestimmung der Gravitationskonstante oder auch der Feinstrukturkonstante bis hin zu fundamentalen Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie.
Die Grenze zwischen Mikro- und Makrokosmos ist Gegenstand aktueller Forschung, einerseits durch die Prüfung quantenmechanischer Interferenz auf makroskopischen Distanzen und Dimensionen, andererseits durch Interferenzexperimente mit immer größeren Teilchen und Molekülen. In Zukunft könnten Gravitationswellen-Detektoren in sogenannten Langbasis-Atominterferometern klassische Instrumente in bestimmten Frequenzbändern durch ihre hohe Empfindlichkeit ergänzen.
Holger Müller und Philipp Haslinger von University of California in Berkeley zeigen in ihrem Artikel in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit, wie sich Atominterferometer für spannende Fragen der Grundlagenforschung nutzen lassen. Dazu zählen die bis dato genaueste Bestimmung der Feinstrukturkonstante, die Erforschung von Dunkler Energie durch sogenannte Chamäleon-Felder oder auch der erstmalige experimentelle Nachweis einer attraktiven Schwarzkörperstrahlung. Mit Ihrer Forschung gehen Müller und Haslinger an die „Grenze des Messbaren“ – mehr noch, sie leisten einen wichtigen Beitrag, diese Grenze stetig zu verschieben und Unentdecktes aufzudecken.
Markus Krutzik, Humboldt-Universität zu Berlin
Dieses Editorial der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit kommentiert einen Artikel von Holger Müller und Philipp Haslinger über die Technik und physikalischen Möglichkeiten von Materiewellen-Interferometern (nur frei mit Online-Abo).
