Atominstitut
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LATIN - Lattice Atom Interferometry

 

Bis an die Grenzen des Messbaren mit ultralangen Wechselwirkungszeiten

Viele Phänomene in der Natur beruhen auf Interferenz. In der Grundlagenforschung wird dieses Phänomen beispielsweise im Michelson-Interferometer genutzt. Ein Lichtstrahl trifft einen Strahlteiler – einen halbreflektierenden Spiegel – und wird dadurch in zwei Strecken (Arme) umgelenkt. Die Teilstrahlen gelangen über Spiegel wieder auf den Strahlteiler und werden zusammengeführt. Je nach Weglängendifferenz kommt es dann zu konstruktiver oder destruktiver Interferenz. Dabei ändert sich die Lichtintensität am Detektor jedes Mal um 100%, wenn der Wegunterschied der Interferometerarme eine halbe Wellenlänge durchläuft, unabhängig davon, wie lang das gesamte Interferometer ist. Mit Interferometrie lassen sich deshalb winzige Änderungen der Weglängen sehr genau bestimmen. Das Interferenzverhalten ist nicht auf Licht beschränkt, auch massebehaftete Teilchen können interferieren. Eine Eigenschaft der Quantenmechanik ist der Welle-Teilchen Dualismus, der allen Teilchen eine Wellenlänge zuordnet. Atome eignen sich besonders gut für Interferenzexperimente, da sie sich mit elektromagnetischen Feldern, insbesondere Laserstrahlen, gut kühlen und bewegen lassen.

Atominterferometer haben es möglich gemacht, Kräfte mit außergewöhnlich hoher Präzision zu vermessen. Da die Atome während des Messvorganges von Umgebungseinflüssen abgeschirmt sein müssen, wurde sie in bisherigen Experimenten in speziellen Vakuumkammern nur unter Einfluss der Erdgravitation fallen gelassen. Dabei wurden die zu messenden Kräfte über die Trajektorie der frei fallenden Atome (bis zu 10 Meter) gemittelt. Das schließt Messungen von sehr lokalisierten Kräften aus. Längere Durchlaufzeiten des Interferometers können aber auch durch gezieltes optisches Fangen der Atome während der Messung mit Hilfe einer stehenden Lichtwelle erreicht werden. Da dieser Vorgang die Messung stark beeinflusst, muss eine nahezu perfekt charakterisierte, stehende Lichtwelle erzeugt werden. In den letzten Jahren haben wir diesen Ansatz verfolgt und entwickeln ein Atominterferometer in einem optischen Resonator. Mit diesem levitierenden Atominterferometer wird es möglich sein, tief in den zum Teil noch unerforschten Bereich von Casimir-Polder Kräften einzutauchen und nach hypothetischen Fünften Kräften zu suchen.