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Ziel: die beste Atomuhr der Welt entwickeln

26.05.2009
Neues QUEST-Institut in der PTB nimmt seine Arbeit auf (Gemeinsame Presseinformation der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und des Exzellenzclusters QUEST)

Sie verstehen es meisterhaft, mit Licht zu arbeiten: die Wissenschaftler am neu gegründeten QUEST-Institut in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), Braunschweig.

Und sie wollen an einigen der spannendsten Fragen der aktuellen Physik arbeiten: an ungeahnt präzisen Messmethoden für die Erdbeobachtung, an der brennenden Frage der Grundlagenphysik, ob denn nun die Fundamentalkonstanten wirklich konstant sind, und an der Entwicklung der besten Atomuhr der Welt aus einem einzigen Aluminiumatom.

Dies sind nur einige Bespiele aus dem Aufgabenkatalog, den sich die Wissenschaftler selber gestellt haben. Er vermittelt eine Ahnung davon, warum die Optik oft als die Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts schlechthin bezeichnet wird. QUEST steht für "Quantum Engineering and Space-Time Research" und ist der Name eines ganzen Exillenzclusters, zu dem das neue Institut gehört.

Es ist schon jetzt ein Paradebeispiel für gute Kooperation zwischen ganz unterschiedlichen, aber sich sehr gut ergänzenden Partnern: Neben der PTB mit ihrem Spezialwissen auf dem Gebiet der präzisen Messtechnik sind sechs Institute der Leibniz Universität Hannover, das Laser-Zentrum Hannover, der Gravitationswellendetektor GEO600 in Ruthe, das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) sowie das Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM), Bremen, beteiligt.

Jetzt nochmals verstärkt durch das neue QUEST-Institut in der PTB, soll die gemeinsame Forschung nicht nur tiefe Grundfragen der Physik beantworten, sondern auch zusammen mit der Industrie zu neuen High-Tech-Produkten führen. Finanziert wird das neue Institut in seiner Gründungsphase von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Nach der Förderperiode wird die Professur von PTB und BMWi dauerhaft fortgeführt werden.

Intensives Suchen - etwa dies bedeutet "Quest" auf Englisch. Eine schöne Nebenbedeutung des Namens, der in erster Linie als Abkürzung von Forschungsgebieten zustande gekommen ist, die zuvor eher nebeneinander existierten. "Quantum Engineering", der erste Teil des Namens, steht für eine relativ junge Forschungsrichtung, in der es um die ingenieursmäßige Beherrschung der Quantenphysik geht. "Space-Time Research", der zweite Teil, ist die Forschung rund um Raum und Zeit, also beispielsweise die Entwicklung von immer genaueren Atomuhren oder neuer Verfahren zur Erforschung des Raumes, zum Beispiel präziser Messverfahren in der Geodäsie.

Weil es aber sowohl in Atomuhren als auch in neuartigen Quantensensoren um nichts anderes geht, als Quantenphänome mit Hilfe modernster Technologien zu nutzen, war die Gründung des Exzellenzclusters QUEST im November 2007 von Anfang an eine Erfolgsgeschichte. Denn sie ermöglichte es, die Kompetenzen der spezialisierten Wissenschaftler und Institutionen ganz neu und viel intensiver zu bündeln.

Diese Erfolgsgeschichte bekommt jetzt ein weiteres Kapitel: In der PTB, in unmittelbarer Nähe zu den einzigartigen Messeinrichtungen und einigen der weltweit besten Atomuhren, hat eine neue Forschergruppe ihre Arbeit aufgenommen: Das QUEST-Institut in der PTB besteht aus einer Professur ("Experimentielle Quantenmetrologie"), einer Nachwuchsforschergruppe ("Vielionen-Uhren"), einem Forschungsprojekt ("Sub-Hertz-Laser und neuartige optische Resonatoren") sowie mehreren sogenannten "Task Groups".

Das Spezialgebiet von Prof. Dr. Piet O. Schmidt, dem Leiter des Institutes, sind neue Methoden der Spektroskopie. "Wie nutzen zum Beispiel die exakt gleichen Frequenzabstände der Spektrallinien in einem optischen Frequenzkamm, um atomare oder molekulare Systeme zu untersuchen", erklärt Schmidt. "Sehr interessant sind auch die Methoden der Quantenlogik. Sie wurden ursprünglich für zukünftige Quantenrechner mit gespeicherten Ionen entwickelt, können aber auch genutzt werden, um spezielle Klassen von Atomen oder Molekülen zu untersuchen, die bisher spektroskopisch nicht oder nur schwer zugänglich waren." Mit die Quantenlogikspektroskopie will er auch, auf der Basis eines extrem schmalen Überganges in einem einzelnen Aluminiumion, eine optische Atomuhr entwickeln. "Wir haben Aussichten, dass es die weltweit beste Atomuhr werden könnte", sagt Schmidt.

Die Uhr, die Schmidt vorschwebt, soll eine relative Unsicherheit von 10-18 erreichen (bisher liegt die Grenze in der PTB bei 10-15, gehalten von den sogenannten Cäsium-Fontänenuhren). Damit werden die Forscher noch intensiver der Frage nachgehen können, ob die Feinstrukturkonstante, die Gravitationskonstante oder das Massenverhältnis zwischen Elektron und Proton sich in Raum oder Zeit ändern, so wie es einige moderne Theorien der Physik wie etwa die String-Theorie vorhersagen. Aber auch ganz handfeste Messmöglichkeiten werden damit verbunden sein. "Die Verfügbarkeit von derart empfindlichen Uhren wird zu hochempfindlichen Messgeräten führen, die zum Beispiel den Höhenunterschied im Gravitationspotential der Erde mit einer Genauigkeit von einem Zentimeter bestimmen können", erläutert Schmidt. "Derzeit ist das Geoid der Erde mit einer Unsicherheit von 30 cm bis 50 cm bekannt." Mit QUEST sollen interdisziplinäre Kooperationen zwischen Ingenieuren, die sich mit der Entwicklung von Navigationssystemen beschäftigen, Geodäten sowie Forschern auf dem Gebiet der lasergekühlten Atome stimuliert werden. Dies soll zur Entwicklung neuartiger Sensoren für die Geowissenschaft und die Navigation führen.

Und genau hier liegt das wohl wichtigste Merkmal von QUEST: die intensive Zusammenarbeit thematisch verwandter, aber bisher organisatorisch getrennter Forschergruppen: nämlich zwischen der universitären Forschung (Leibniz Universität Hannover), den Forschungseinrichtungen verschiedener Bundesministerien sowie einem internationalen Projekt der Grundlagenforschung (GEO600). Nicht zuletzt werden wohl die neuartigen Quantum-Engineering-Technologien auch zu zukunftsweisenden Kooperationen mit Industriepartnern und somit zu neuen kommerziellen Anwendungen führen.

es/ptb

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Piet O. Schmidt, QUEST-Institut in der PTB, Tel.: (0531) 592-4700, E-Mail: Piet.Schmidt(Quest)@ptb.de

Erika Schow | idw
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de/de/aktuelles/archiv/presseinfos/pi2009/pitext/pi090526.html

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