TAIOL

Geräte, die die Überlagerung von Licht- oder Materiewellen ausnutzen, sogenannte Interferometer, können als fundamentale Werkzeuge zur Erforschung von Naturgesetzen und zur präzisen Messung und Kontrolle der physikalischen Welt genutzt werden. Als prominentes Beispiel sei hier die erste direkte Beobachtung von Gravitationswellen im September 2015 genannt. Grundlegende Erkenntnisse über die Wellennatur von Atomen und die Fähigkeit, Gruppen von Atomen als ideale Testobjekte isotopenrein und mit wohldefinierten Quantenzahlen zu präparieren und in ihren Schwerpunkten zu überlagern, erlauben den Bau von Materiewellen-Interferometern. Mit diesen lassen sich Kräfte, Beschleunigungen, Drehungen, magnetische und elektrische Feldern sowie fundamentale Naturkonstanten bestimmen. Solche Atominterferometer könnten sich zukünftig zu Schlüsselkomponenten für Trägheitsnavigation, Ressourcenerkundung, Geodäsie, Oberflächen- und Gravitationsforschung entwickeln.

Atominterferometer werden in zwei Hauptklassen eingeteilt: freifallende Atominterferometer (engl.: „Free Falling Atom Interferometers“, FFAIs) und gefangene Atominterferometer (engl.: „Trapped Atom Interferometers“, TAIs). TAIs können in der Zukunft im Vergleich zu FFAIs wettbewerbsfähige Auflösung bei erheblich kompakterem Aufbau bieten. Dies ist essenziell für Anwendungen, die Transportabilität voraussetzen. Die Herausforderung besteht darin, die kohärente Aufspaltung eines gefangenen atomaren Ensembles von wenigen Mikrometern auf mehrere Millimeter zu erhöhen und Verlustprozesse wie z. B. Dekohärenz zu kontrollieren bzw. zu minimieren.

Hierfür sollen im TAIOL-Projekt Quellen von Bose-Einstein-Kondensaten erforscht werden, die eine (nahezu) verlustfreie Präparation und Manipulation dieser Kondensate erlauben. Weiterhin werden unterschiedliche Strahlteiler untersucht werden, um die Wellenpakete in den Bereich von bis zu 10 Millimetern innerhalb weniger Millisekunden aufzuspalten. Die Quellen und Strahlteiler sollen in einem TAI eingesetzt werden, so dass der Kontrast des Systems maximiert und die Atomzahlverluste bei unter 50 % gehalten werden. Hierdurch wird eine Sensitivitätssteigerung bis zu einem Faktor 50 erwartet.