Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gequetschter Laser soll Gravitationswellen ans Licht bringen

12.09.2011
Dank eines Quantenphänomens messen Detektoren, die Schwingungen der Raum-Zeit nachspüren, um 50 Prozent genauer

Messen an den Grenzen der Naturgesetze – dieser Herausforderung stellen sich die Forscher bei der Suche nach Gravitationswellen immer wieder. Die hierbei eingesetzten Interferometer etwa messen so empfindlich, dass ein bestimmtes Quantenphänomen des Lichts – das Schrotrauschen – die Messgenauigkeit einschränkt. Mit der Methode des „Squeezed Light“ nutzen Max-Planck- und Uniwissenschaftler aus Hannover im Gegenzug ebenfalls die Quantenphysik, um den störenden Effekt zu beseitigen. Das neuartige Laserlicht erhöht die Messgenauigkeit des Gravitationswellendetektors GEO600 um 50 Prozent und steigert so seine effektive Empfindlichkeit. Damit kommt diese Technologie auch erstmals weltweit außerhalb eines Testlabors zur Anwendung. Die Ergebnisse werden im Fachjournal Nature Physics am 11. September vorab online veröffentlicht.


Der neue Quetschlichtlaser von GEO600. Ein hochkomplexes Lasersystem erzeugt im Gravitationswellendetektor besonders ruhiges Licht. © Albert-Einstein-Institut

Rund 50 Jahre nach der Entwicklung des ersten Lasers lässt sich mit der Technologie des gequetschten Lichts („squeezed light“) eine ganz neue Qualität von Laserlicht erzeugen. Das Licht aus einem Quetschlichtlaser strahlt sehr viel ruhiger als solches aus einer herkömmlichen Laserquelle. „Dank des Quetschlichtlasers konnten wir die Messempfindlichkeit von GEO600 um das 1,5-fache steigern“, sagt Hartmut Grote, der den Detektorbetrieb leitet. „Die neuartige Lichtquelle erfüllt alle Anforderungen wie erwartet.“ In Zukunft ließe sich die Messgenauigkeit mit dieser Technologie sogar verdoppeln. Bei der Suche nach den nur schwer detektierbaren Gravitationswellen ist diese Steigerung der Empfindlichkeit ein wichtiger Schritt zu deren direktem Nachweis.

Mit dem Experiment GEO600 am Exzellenzcluster QUEST (Center for Quantum Engineering and Space-Time Research)sind die Forscher vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Teilinstitut Hannover, Albert-Einstein-Institut/AEI) und vom Institut für Gravitationsphysik der Leibniz Universität Hannover innerhalb der internationalen LIGO Virgo Collaboration (LVC) Gravitationswellen auf der Spur. Diese Schwingungen der Raum-Zeit sagte Einstein vor rund einem Jahrhundert in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorher. Sie entstehen etwa bei turbulenten kosmischen Ereignissen wie Supernova-Explosionen.

Gravitationswellen machen sich auf der Erde jedoch kaum bemerkbar. Zum einen ist die Wechselwirkung zwischen Materie und Raum sehr schwach. Änderungen im Raum-Zeit-Gefüge, die in unserer nächsten astronomischen Umgebung durch Bewegungen verhältnismäßig massearmer Objekte wie Mond oder Planeten entstehen, liegen weit unterhalb des Messbaren. Turbulente Supernova-Explosionen, die die Raum-Zeit gewaltig durchschütteln, ereignen sich dagegen in großer Entfernung. Die dabei erzeugten Gravitationswellen erreichen die Erde deutlich abgeschwächt. Nur um rund ein Tausendstel eines Protondurchmessers würde sich die relative Messstrecke in einem Gravitationswellen-Detektor ändern, wenn sich eine Supernova innerhalb unserer Milchstraße ereignet. Mit GEO600 sind die Wissenschaftler inzwischen in der Lage, solche Längendifferenzen zu messen.

Laserlicht mit konstanter Intensität

Um so akkurat messen zu können, sind die Physiker auf möglichst störungsfreie Messtechnologien angewiesen. Einer der bisher störenden Effekte ist das sogenannte Schrotrauschen. Aufgrund ihrer Quantennatur prasseln die Photonen in zeitlich ungleichmäßigen Abständen auf die Photodiode im Detektor ein. Im Signal zeigt sich dies als fluktuierende Hintergrundhelligkeit. Eine Schwingung der Raum-Zeit, die eine ähnlich schwache Helligkeitsänderung hervorruft wie das Schrotrauschen, ist daher nur schwer auszumachen.

Roman Schnabel hat nun mit seiner Arbeitsgruppe in Hannover eine spezielle Lichtquelle entwickelt, mit der sich das störende Schrotrauschen eindämmen lässt. Eingebaut in GEO600 verhilft der Quetschlichtlaser dem Gravitationswellendetektor zu neuer Messempfindlichkeit. Damit ist GEO600 der erste Detektor, dessen Signalstrahl mit dem neuartigen Laserlicht geglättet wird.

Nach der Heisenbergschen Unschärferelation sind Intensität und Farbe eines Laserstrahls nicht gleichzeitig beliebig genau definierbar. Je exakter etwa die Intensität (genauer: Amplitude) festgelegt ist, umso unschärfer wird die Farbe (genauer: Phase). Diesen Effekt machen sich die Quantenphysiker zunutze, um das Schrotrauschen in dem GEO600-Experiment zu minimieren. Denn tatsächlich ist das Schrotrauschen nichts weiter als eine Ungenauigkeit der Laserintensität. Sie bereiten das Laserlicht derart auf, dass seine Intensität sehr genau definiert ist, also möglichst keine Schwankungen zeigt. Diesen Vorgang nennen die Fachleute auch „quetschen“. Dass die Lichtfarbe dabei ungenauer, also ein klein wenig „bunter“ wird, ist bei diesem Experiment nicht von Bedeutung, da diese Größe nicht in die Messdaten eingeht.

„Wir speisen das gequetschte Licht jetzt zusätzlich zu unserem normalen Laserlicht in das Interferometer ein“, erklärt Schnabel. „Wenn sich dann beide Lichtfelder überlagern, weist der resultierende Laserstrahl eine deutlich gleichmäßigere Intensität, verglichen mit dem ursprünglichen Signalstrahl, auf. „Auf diese Weise nivellieren wir die quantenphysikalisch bedingten Unregelmäßigkeiten im Detektorsignal“, so Schnabel weiter.

Nach einer längeren Testphase seit April vergangenen Jahres bei GEO600 kommt der Quetschlichtlaser jetzt bei der Suche nach Gravitationswellen zum Einsatz. Damit hat die Technologie des gequetschten Lichts die Feuerprobe in der Anwendung bestanden. Demnächst planen auch die amerikanischen Kollegen innerhalb der LVC, einen Quetschlichtlaser an den LIGO-Detektoren zu testen.

Ansprechpartner

Dr. Roman Schnabel
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover, Hannover
Telefon: +49 511 762-19169
E-Mail: roman.schnabel@aei.mpg.de
Dr. Hartmut Grote
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover, Hannover
Telefon: +49 511 762-6133
E-Mail: hartmut.grote@aei.mpg.de
Dr. Felicitas Mokler
Public Relations
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Teilinstitut Hannover, Hannover
Telefon: +49 511 762-17098
E-Mail: felicitas.mokler@aei.mpg.de
Publikationsreferenz
Roman Schnabel und Hartmut Grote für die LIGO Virgo Science Collaboration
A gravitational wave observatory operating beyond the quantum shot-noise limit
Nature Physics advance online publication, 11. September 2011

Dr. Roman Schnabel | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/4414996

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Die Sonne: Motor des Erdklimas
23.08.2017 | Generalverwaltung der Max-Planck-Gesellschaft, München

nachricht Entfesselte Magnetkraft
23.08.2017 | Generalverwaltung der Max-Planck-Gesellschaft, München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Die Zukunft des Leichtbaus: Mehr als nur Material einsparen

23.08.2017 | Veranstaltungen

Logistikmanagement-Konferenz 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Spot auf die Maschinerie des Lebens

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Die Sonne: Motor des Erdklimas

23.08.2017 | Physik Astronomie

Entfesselte Magnetkraft

23.08.2017 | Physik Astronomie