Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der rauschärmste Laser der Welt

24.01.2008
Forscher aus Hannover tricksen die Quantenphysik aus und ordnen die Lichtteilchen eines Laserstrahls gleichmäßig an.

Einen Laserstrahl von besonderer Güte haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und der Leibniz Universität Hannover hergestellt. Dabei haben die Physiker einen Weltrekord in der Kontrolle von Photonen aufgestellt: Es gelingt ihnen, diese Lichtteilchen in einem Laserstrahl gleichmäßig anzuordnen. So senken sie die winzigen quantenmechanischen Intensitätsschwankungen des Lichts, die Physiker Photonenrauschen nennen, um den Rekordwert von 90 Prozent. Mit diesem extrem rauscharmen Laserlicht lässt sich die Empfindlichkeit von Gravitationswellen-Detektoren drastisch erhöhen. Gequetschtes Licht könnte aber auch in der Quantenkryptographie, der abhörsicheren Verschlüsselung von Nachrichten, angewendet werden. (Physical Review Letters, 25. Januar 2008)


Ein Quelle für gequetschtes Licht: Ein Kristall, der mit grünem Laserlicht bestrahlt wird, kann die Intensitätsschwankungen in einem nicht sichtbaren infraroten Laser reduzieren. Bild: Roman Schnabel / MPI für Gravitationsphysik

Licht ist nicht gleich Licht. Es gibt das normale Licht einer Glühbirne, Laserlicht - und gequetschtes Laserlicht, das besonders hochwertig ist: In einem Strahl gequetschten Lichts halten Physiker die Intensität, also die Zahl der Lichtquanten oder Photonen, über eine bestimmte Zeit beinahe konstant. In einem normalen Lichtstrahl und selbst in einem herkömmlichen Laserstrahl sind diese Quanten zufällig verteilt. So fordert es in der Regel das Zufallsprinzip der Quantenphysik. Mal kommen viele als Gruppe an, mal kommen sie nur vereinzelt. Etwa so, wie bei einem Regenschauer mal mehr und mal weniger Tropfen auf die Erde prasseln. Diese Schwankung der Intensität, die Photonenrauschen heißt, stört bei besonders empfindlichen Messungen.

Physiker des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) und der Leibniz Universität Hannover haben das Photonenrauschen nun auf ein Zehntel reduziert oder, wie es im Fachjargon heißt: gequetscht. Sie haben damit einen Weltrekord aufgestellt. Wenige Monate zuvor hatten sie bereits einen anderen Weltrekord aufgestellt: Sie haben Lichtteilchen um bis zu eine halbe Sekunde, so lange wie noch nie zuvor, versetzt, um sie gleichmäßig anzuordnen. "Das Zufallsprinzip der Quantenphysik wird dadurch nicht verletzt", sagt Roman Schnabel, Juniorprofessor an der Leibniz Universität Hannover und am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik. "Nach wie vor ist das Auftauchen der Photonen nicht vorhersagbar. Doch wir können sie so miteinander verknüpfen, dass sie regelmäßige Abstände annehmen." Diesen Effekt bezeichnen Physiker als Verschränkung.

Empfindlichere Detektoren für Gravitationswellen

"Mit unserer Technik werden wir nun die Empfindlichkeit des Gravitationswellendetektors GEO600 deutlich erhöhen", so Schnabel. Und sogar in die wesentlich größeren US-amerikanischen LIGO Detektoren wird die Technik eingebaut. Mit den beiden Detektoren spüren Wissenschaftler den Gravitationswellen nach, wofür sie besonders präzise messen müssen. Weiteres Anwendungspotenzial hat das gequetschte Licht in der optischen Datenübertragung. Mit ihm ließen sich Daten sicher verschlüsseln, weil ein Lauschangriff die regelmäßige Anordnung der Lichtteilchen zerstören würde und daher leicht aufzudecken wäre. "Bei der Anwendung in der Quantenkryptographie stehen wir jedoch noch ganz am Anfang", so Schnabel.

Gewöhnlich fallen die Intensitätsschwankungen in einem Lichtstrahl nicht auf, weil jedes Lichtteilchen nur eine winzige Energie trägt. Physiker müssen schon sehr genau hinsehen, um sie zu bemerken. Genau das tun sie aber am Albert-Einstein-Institut. In ihrem Gravitationswellen-Detektor GEO600 bei Hannover setzen sie Laserstrahlen ein, um winzig kleine Entfernungsänderungen zu messen. Sie wollen damit Gravitationswellen aus dem Kosmos nachweisen. Diese Messungen sind so empfindlich, dass sich das Photonenrauschen des Laserlichts bei ihnen deutlich bemerkbar macht.

Kristall als Lichtspeicher

Alle derzeitigen Gravitationswellen-Detektoren verwenden infrarotes Laserlicht. Mit den extrem gleichmäßigen Laserstrahlen, die Roman Schnabel und seine Mitarbeiter jetzt herstellen können, lassen sich diese Detektoren enorm verbessern. "Dafür sortieren wir die Lichtquanten des Laserstrahls um und ordnen sie regelmäßiger an", erklärt Roman Schnabel. Das gelingt ihnen mithilfe von doppelbrechenden, nicht-linearen Kristallen. Diesen beleuchten sie mit einem grünen Laserstrahl, der genau die halbe Wellenlänge des infraroten hat. "Erst dieser Laser präpariert den Kristall so, dass er das infrarote Licht quetscht", sagt Roman Schnabel. Der grüne Laserstrahl polarisiert den Kristall, versetzt also die Elektronenhüllen der Kristallatome in Schwingungen - und zwar genau mit der Frequenz des grünen Lasers. In diesem Zustand kann der Kristall Photonen des infraroten Laserstrahls speichern. Und das tut er genau dann, wenn die Lichtteilchen des infraroten Lasers geballt auf den Kristall treffen. Wird der infrarote Photonenstrom wieder dünner, wird er mit dem im Kristall gespeicherten Licht aufgefüllt. So werden die Photonen gleichmäßiger angeordnet.

"Mit gequetschtem Laserlicht, wie wir es erzeugen, kann man die Reichweite von Gravitationswellen-Detektoren mehr als verdreifachen" sagt Roman Schnabel. Damit ließen sich sogar Verschmelzungen von leichten Schwarzen Löchern am Rand des Universums beobachten. Mit anderen derzeitigen Messmethoden sei das nicht möglich. Ein Gravitationswellen-Detektor wie GEO600 bei Hannover besteht aus zwei rechtwinklig angeordneten Tunneln, in denen Laserstrahlen zwischen Spiegeln hin- und her laufen. Die Tunnel treffen an einer Stelle aufeinander. Dort überlagern sich die Strahlen, wobei ein Lichtmuster - ein sogenanntes Interferenzmuster - entsteht.

Trifft eine Gravitationswelle aus dem Kosmos auf den Detektor, zieht sie die Tunnel ein klein wenig in die Länge oder staucht sie. Dadurch verändert sich die Laufstrecke der Laserstrahlen, sodass sie kurzzeitig ein anderes Interferenzmuster erzeugen. Empfindliche Messgeräte zeichnen das auf und erlauben es den Forschern so, durchlaufende Gravitationswellen zu erkennen - zumindest in der Theorie.

Lineal für den Bruchteil eines Atomradius

Praktisch ist es bisher nicht gelungen, Gravitationswellen nachzuweisen. Das Problem: Die zu messenden Änderungen sind winzig. Wenn eine Gravitationswelle auf den Detektor GEO600 trifft, verändert sie die Länge seiner Tunnel nur um ein zehn Billiardstel Millimeter - das ist eine Milliarde Mal kleiner als der Durchmesser eines Atoms. Um so winzige Strecken zu messen, müssen die Laserstrahlen, die das Interferenzmuster erzeugen, eine möglichst gleich bleibende Intensität besitzen. Denn jede Helligkeitsschwankung verändert das Überlagerungsmuster der Strahlen und täuscht damit eine durchlaufende Gravitationswelle vor.

Hier liegt der Vorteil von gequetschten Laserstrahlen: Weil sie eine extrem gleichmäßige Intensität haben, erzeugen sie ein sehr stabiles Interferenzmuster. Der Detektor wird dadurch empfindlicher, kann schwächere Wellen nachweisen und tiefer ins All lauschen. Gravitationswellen entstehen, wenn große Massen ihre Bewegung ändern - wenn etwa Schwarze Löcher umeinander wirbeln oder Neutronensterne vibrieren. Gelänge es, Gravitationswellen zu messen, könnten Astrophysiker Schwarze Löcher beobachten, in das Innere von Neutronen-Sternen schauen und mehr über die rätselhafte Dunkle Materie erfahren. Mit normalen Teleskopen sind solche dunklen Objekte nicht sichtbar.

Originalveröffentlichung:

Henning Vahlbruch, Moritz Mehmet, Nico Lastzka, Boris Hage, Simon Chelkowski, Alexander Franzen, Stefan Goßler, Karsten Danzmann und Roman Schnabel
Observation of squeezed light with 10 dB quantum noise reduction
Physical Review Letters, 25. Januar 2008

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/
http://www.squeezed-light.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Mit optimierten Logistikprozessen Energieeinsatz und CO2-Ausstoß reduzieren
22.10.2019 | Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF

nachricht Elektrosynthese von Alkoholen energieeffizienter gestalten
18.10.2019 | Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Cheers! Maxwell's electromagnetism extended to smaller scales

More than one hundred and fifty years have passed since the publication of James Clerk Maxwell's "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865). What would our lives be without this publication?

It is difficult to imagine, as this treatise revolutionized our fundamental understanding of electric fields, magnetic fields, and light. The twenty original...

Im Focus: Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik

In einer experimentell-theoretischen Gemeinschaftsarbeit hat am Heidelberger MPI für Kernphysik ein internationales Physiker-Team erstmals eine Orbitalkreuzung im hochgeladenen Ion Pr9+ nachgewiesen. Mittels einer Elektronenstrahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstrukturrechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von nHz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese „Uhrenlinie“ eine sehr große Empfindlichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisionsstudien macht.

Laserspektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie technologischer Fortschritte eine...

Im Focus: Highly charged ion paves the way towards new physics

In a joint experimental and theoretical work performed at the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics, an international team of physicists detected for the first time an orbital crossing in the highly charged ion Pr⁹⁺. Optical spectra were recorded employing an electron beam ion trap and analysed with the aid of atomic structure calculations. A proposed nHz-wide transition has been identified and its energy was determined with high precision. Theory predicts a very high sensitivity to new physics and extremely low susceptibility to external perturbations for this “clock line” making it a unique candidate for proposed precision studies.

Laser spectroscopy of neutral atoms and singly charged ions has reached astonishing precision by merit of a chain of technological advances during the past...

Im Focus: Ultrafast stimulated emission microscopy of single nanocrystals in Science

The ability to investigate the dynamics of single particle at the nano-scale and femtosecond level remained an unfathomed dream for years. It was not until the dawn of the 21st century that nanotechnology and femtoscience gradually merged together and the first ultrafast microscopy of individual quantum dots (QDs) and molecules was accomplished.

Ultrafast microscopy studies entirely rely on detecting nanoparticles or single molecules with luminescence techniques, which require efficient emitters to...

Im Focus: Wie Graphen-Nanostrukturen magnetisch werden

Graphen, eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoff, ist ein Material mit hervorragenden mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften. Doch für magnetische Anwendungen schien es bislang nicht nutzbar. Forschern der Empa ist es gemeinsam mit internationalen Partnern nun gelungen, ein in den 1970er Jahren vorhergesagtes Molekül zu synthetisieren, welches beweist, dass Graphen-Nanostrukturen in ganz bestimmten Formen magnetische Eigenschaften aufweisen, die künftige spintronische Anwendungen erlauben könnten. Die Ergebnisse sind eben im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology erschienen.

Graphen-Nanostrukturen (auch Nanographene genannt) können, je nach Form und Ausrichtung der Ränder, ganz unterschiedliche Eigenschaften besitzen - zum Beispiel...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Analyse internationaler Finanzmärkte

10.12.2019 | Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Hefe-Spezies in Braunschweig entdeckt

12.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Humane Papillomviren programmieren ihre Wirtszellen um und begünstigen so die Hautkrebsentstehung

12.12.2019 | Medizin Gesundheit

Urbane Gärten: Wie Agrarschädlinge von Städten profitieren

12.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics