QUEST
Die genaueste Atomuhr der Welt
Redaktion / Pressemitteilung der PTB und des Exzellenzclusters QUEST 
astronews.com
29. Mai 2009

Der Exzellenzcluster QUEST, der seit rund einem Jahr Forschung in den Bereichen Quanten Engineering und Raum-Zeit betreibt, hat Zuwachs bekommen: An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig wurde jetzt das QUEST-Institut gegründet, in dem unter anderem die vielleicht genaueste Atomuhr der Welt entwickelt werden soll. Die Forscher erhoffen sich neue Erkenntnisse über die Konstanz von Fundamentalkonstanten sowie das Gravitationspotential der Erde.

Meisterhafter Umgang mit Licht: Detail eines experimentellen Aufbaus zur Erzeugung von Laserlicht bei 280 nm. Ein spezieller Kristall (Bildmitte) sitzt in einem optischen Erhöhungsresonator und konvertiert Licht bei einer Wellenlänge von 560 nm nach 280 nm (nicht sichtbar). Bild: PTB /  Universität Innsbruck

Der Umgang mit Licht ist die besondere Stärke der Wissenschaftler am neu gegründeten QUEST-Institut in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Ihr Wissen wollen sie bei der Erforschung einiger der spannendsten Fragen der aktuellen Physik einbringen. Dabei geht es um die Entwicklung von äußerst präzisen Messmethoden für die Erdbeobachtung, die Untersuchung, ob denn nun die Fundamentalkonstanten wirklich konstant sind oder um die  Entwicklung der besten Atomuhr der Welt aus einem einzigen Aluminiumatom.

QUEST steht für "Quantum Engineering and Space-Time Research" und ist der Name eines ganzen Exzellenzclusters, zu dem das neue Institut gehört. 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) in 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.

"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 Quantenphänomene mit Hilfe modernster Technologien zu nutzen, war die Gründung des Exzellenzclusters QUEST im November 2007 nach Angaben der beteiligten Wissenschaftler von Anfang an eine Erfolgsgeschichte.

QUEST ermöglichte es, die Kompetenzen der spezialisierten Wissenschaftler und Institutionen ganz neu und viel intensiver zu bündeln. Jetzt kommt ein weiteres Kapitel hinzu: 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 für "Experimentielle Quantenmetrologie, der Nachwuchsforschergruppe "Quantensensoren mit kalten Ionen" sowie dem 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. "Wir 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 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).

Mit einer so genauen Uhr werden die Forscher noch besser 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 anderen 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, den Forschungseinrichtungen verschiedener Bundesministerien sowie einem internationalen Projekt der Grundlagenforschung.