Ein Themenkomplex der Arbeitsgruppe Theoretische Quantenoptik liegt auf Quantenmetrologie und Quantensensorik, die auf Atominterferometern basieren. Als bevorzugtes System nutzen wir ultrakalte Quantengase, die mit Licht so manipuliert werden, dass sie sich in einer Überlagerung zweier Bahnen durch die Raumzeit bewegen. Da Quantengase aus massiven Atomen bestehen, sind sie besonders sensitiv bezüglich Gravitation, die sich durch eine Krümmung eben jener Raumzeit äußert.
In der Arbeitsgruppe erforschen wir neuartige Ansätze zu gravimetrischen Sensoren, die von elektromagnetischen Feldern geführt werden und deren Dynamik von quantenmechanischen Effekten, wie z.B. dem Tunneleffekt, bestimmt wird. Ein weiteres Anwendungsfeld solcher Sensoren stellen Mikrogravitationsumgebungen dar, wie sie unter anderem für diverse Projekte und Missionen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt von Interesse sind.
Die Präzision herkömmlicher Sensoren ist derzeit durch Schrotrauschen beschränkt und hängt von der Atomanzahl ab, die begrenzt ist. Wird ein sogenannter verschränkter Quantenzustand zwischen den Atomen erzeugt, kann diese Limitierung allerdings umgangen und folglich die Präzision erhöht werden. Aus diesem Grund erforschen wir Möglichkeiten, Verschränkung für Atominterferometrie nutzbar zu machen.
Als zusätzlichen Forschungsansatz, der eher fundamental-physikalische Aspekte verfolgt, nutzen wir aus, dass Quantengase aus Atomen bestehen, die eine innere Struktur besitzen. Im Zentrum dieser Bestrebungen steht die Fragestellung, wie die Grundprinzipien der allgemeinen Relativitätstheorie (und damit der Gravitation) durch atominterferometrische Sensoren mit interner atomarer Struktur überprüft werden können. Dazu sind konsistente Modelle notwendig, die über das Standardmodell hinausgehen.
Aktuelle Entwicklungen bei großskaligen Quantendetektoren
Atominterferometrie ist ein sich rasch entwickelnder Forschungsfeld an der Schnittstelle zwischen Anwendungen und Grundlagenphysik. Schon heute übersteigen einige Aufbauten die Dimensionen von typischen Laborexperimenten. Noch größere Quantensensoren auf der 100- oder 1000-Meter-Skala sind geplant, um bestehende Gravitationswellendetektoren oder die laufende Suche nach dunkler Materie zu ergänzen. Die Arbeitsgruppe Theoretische Quantenoptik an der TU Darmstadt leistet zusammen mit ihren Partnern einen aktiven Beitrag zu diesen Bemühungen. Ein vorbereitender Workshop, der institutionelle Unterstützung für internationale Projekte und Kooperationen zu diesem Thema vorbereitet hat, führte zu einem Überblicksartikel sowie einer Sonderausgabe, zu der wir mehrere Beiträge lieferten. In diesem Zusammenhang haben wir die atomoptische Manipulation der Atome in solchen Sensoren untersucht, verschiedene Designs von Detektoren für dunkle Materie verglichen und Ideen entwickelt, wie man die Dimensionen der geplanten Detektoren optimal ausnutzen kann. Unsere Ideen wurden in einem kurzen populärwissenschaftlichen Artikel in Scilight 2024, 041108 (2024) vorgestellt und als Editor's Pick von AVS Quantum Science hervorgehoben. Unsere Forschung zu Dunkler Materie wird auch in einem Beitrag Mit Atomwolken die rätselhafte Dunkle Materie detektieren von Christian J. Meier vorgestellt.
