Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Professor Wolfgang Ertmer, Professor Ernst O. Göbel

Aus den jüngsten Fortschritten in der Forschung zur Quantennatur von Licht- und Materiewellenfeldern ist das neue Gebiet des "Quantum Engineering" entstanden. Quantum Engineering als die "ingenieurmäßige" Beherrschung neuer Technologien, die auf der Quantenmechanik aufbauen, hat ganz neue Möglichkeiten in der Quantenmetrologie eröffnet. Dazu gehören Tests fundamentaler physikalischer Gesetze mit bisher unerreichter Genauigkeit mit unterschiedlichen raumzeitlichen Messgrößen. Die damit verbundenen neuartigen Quantentechnologien haben zu Atomuhren und Sensoren geführt, die hervorragend geeignet sind für Anwendungen in der weltumspannenden Geodäsie, Inertialsensorik, Navigation oder der lasergestützten Entfernungsmessung. Schon immer hat sich die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in die Entwicklung der Präzisionsmesstechnik in einer Weise eingebracht, die über den gegenwärtigen Stand der Kunst hinausgeht. Über sehr viele Jahre hat die PTB dazu herausragende Kooperationspartner gefunden, wie die Institute der Fakultäten Mathematik und Physik und Geodäsie der Leibniz Universität Hannover (LUH) oder das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert Einstein Institut, AEI), die Spitzenforschung im Quantum Engineering und den benachbarten Gebieten betreiben. Gleichzeitig erwies sich die enge Zusammenarbeit mit dem Laserzentrum Hannover (LZH) und dem Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen als außerordentlich fruchtbar. Das Vorhandensein dieser starken Gemeinschaft war die notwendige Voraussetzung, dass QUEST – das Zentrum für Quantum Engineering und Raum-Zeit-Forschung – als Exzellenzzentrum an der Leibniz Universität Hannover eingerichtet werden konnte.

Stefan Pfalz

Der Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) wird im Rahmen der Exzellenzinitiative von Bund und Ländern seit November 2007 gefördert. An dem Cluster sind sechs Institute der Leibniz Universität Hannover beteiligt sowie folgende externe Partner: Das Albert-Einstein-Institut (Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik), das Laserzentrum Hannover e.V., die Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und das Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation in Bremen.

Fritz Riehle

Seit vielen Dekaden gehört die PTB zu den führenden nationalen Metrologieinstituten in der Welt mit vielen gesetzlichen Aufgaben. Unter anderem wurde ihr die Verantwortung für die Bereitstellung und Verteilung der gesetzlichen Zeit in Deutschland durch das Einheiten- und Zeitgesetz übertragen [1]. Die PTB kann ihre diesbezüglichen Verpflichtungen nur dann in bestmöglicher Weise erfüllen, wenn sie sich dauerhaft in der angewandten und grundlegenden Forschung beispielsweise in den Gebieten Uhren der Zukunft, neuartige Methoden der Zeit- und Frequenzverteilung und verwandte Technologien engagiert. Ein solcher Fall für neue Herausforderungen ist das zukünftige Satellitennavigationssystem Galileo, das zum weitreichenden Nutzen der deutschen und europäischen Volkswirtschaft und Industrie wissenschaftlich unterstützt und weiterentwickelt werden muss.

Ekkehard Peik, Andreas Bauch

Unsere Fragestellung

Eine genaue Zeitmessung wird in einer enorm breiten Spanne von Anwendungen benötigt. Das einzige Messinstrument, das die meisten Menschen im täglichen Leben bei sich tragen, ist eine Uhr. Gelingt es einer Forschergruppe, Fortschritte in Richtung auf eine noch genauere Uhr anzukündigen, so kann sie sich des Interesses der Medien sicher sein. Es gelingt auch den Autoren immer wieder, Menschen mit der Genauigkeit z.B. der Atomuhren in der PTB zu beeindrucken. Aber dann kommt doch unweigerlich die Frage: Wozu das Ganze? Wir versuchen in diesem Aufsatz eine Motivation für diese Anstrengungen zu geben. Hierzu stellen wir technische Probleme und wissenschaftliche Fragestellungen vor, die Anregung zur weiteren Verbesserung von Uhren liefern. Wir zeigen, wo solche Uhren eingesetzt werden und versuchen auch klar zu machen, welche Eigenschaften der Uhren in der Praxis eine Rolle spielen und damit auch die Bewertung "gut, besser" zu begründen.

Ekkehard Peik, Uwe Sterr

Die sehr präzise Zeit- und Frequenzmessung spielt eine große Rolle bei Experimenten zu Grundlagen der Physik und in Anwendungen des täglichen Lebens wie Navigation und Telekommunikation. Historisch waren die großen Fortschritte in der Genauigkeit der Zeitmessung (s. Bild 1) immer mit der Einführung eines neuen Typs von Uhren verbunden, der bei einer höheren Taktfrequenz arbeitete: Mechanische Uhren ticken im Bereich von 1 Hz, Quarzuhren verwenden mechanische Schwingungen bei einigen 10 kHz und die ersten Atomuhren basierten auf Mikrowellenübergängen im Bereich 1 – 10 GHz. Nun steht ein weiterer Generationswechsel bevor: die Einführung der „optischen Uhr“, die bei der Frequenz von sichtbarem oder ultraviolettem Licht von ungefähr 10¹⁵ Hz arbeitet. Damit ist die Aussicht verbunden, die relative Genauigkeit von Atomuhren um einen Faktor 100 bis 1000 zu verbessern.

Dirk Piester, Harald Schnatz

Die am genauesten messbaren physikalischen Größen, Zeit und Frequenz, werden in nahezu allen Bereichen hochentwickelter Technik beispielsweise in der Form von präzisen zeitlichen Steuerungen oder als Referenzfrequenzen benötigt. So haben Verbesserungen in der Realisierung und Verteilung dieser Größen direkten Einfluss auf Innovation, Wissenschaft und Technik sowie nicht zuletzt auf das tägliche Leben; technische Anwendungen finden sich insbesondere in den Bereichen Kommunikation und Navigation. In Telekommunikationsnetzwerken, Militär- und Wissenschaftseinrichtungen und in den metrologischen Instituten werden heute hunderte von Atomuhren betrieben

Christian Lisdat, Christian Tamm

Das Ziel: Perfekte Kohärenz

In den meisten gebräuchlichen Lichtquellen werden Photonen spontan entweder von einer heißen Oberfläche, einem Plasma oder durch die Rekombination von Ladungsträgern in einem Halbleiter ausgesandt. Dieses so entstandene Licht wird in der klassischen Physik als eine elektromagnetische Welle beschrieben, die sich aus statistisch verteilten Wellenzügen zusammensetzt: Das Licht ist inkohärent. Bei inkohärentem Licht weisen die Amplitude und die Phase des elektromagetischen Feldes starke unkorrelierte zeitliche Fluktuationen auf.

Piet O. Schmidt, Börge Hemmerling, Birgit Brandstätter, Daniel Nigg

Unser aktuelles Verständnis der Physik basiert auf dem Standardmodell der Teilchenphysik. Obwohl sich das Modell in vielerlei Hinsicht bewährt hat, wird gemeinhin angenommen, dass es durch eine vollständigere Theorie ersetzt werden wird. Eine derartige Theorie müsste eine Quantentheorie sein, die alle vier fundamentalen Kräfte vereinigt. Einige Kandidaten für solch eine "Theorie für Alles" erlauben eine Variation von fundamentalen Konstanten. Die Idee von sich ändernden physikalischen Konstanten wurde zum ersten Mal von Dirac in seiner "Hypothese großer Zahlen" geäußert. Hierbei stellte Dirac eine Relation zwischen der Stärke der elektromagnetischen und der gravitativen Wechselwirkung zum Alter des Universums auf. Da das Universum weiter altert, muss sich nach der Hypothese auch eine der fundamentalen Konstanten ändern, die Elektromagnetimus bzw. Gravitation beschreiben.

Uwe Sterr, Fritz Riehle

Im 19. Jahrhundert waren die Interferenzexperimente von Fizeau und Young der entscheidende Beweis für die Wellennatur des Lichts. Interferometrie mit Licht wurde seit dem Ende des 19. Jahrhunderts in vielen Präzisionsexperimenten eingesetzt. Die Vorstellung, dass Materie ebenfalls durch Wellen beschrieben werden muss, wurde in den frühen Tagen der Quantenmechanik von E. Schrödinger und L. de Broglie eingeführt. Sie schrieben einem Teilchen mit Impuls p eine Wellenlänge λ= h/p zu, wobei h die Plancksche Konstante bezeichnet. Bei lasergekühlten Teilchen mit einer Temperatur von T = 20 µK liegt die entsprechende de-Broglie-Wellenlänge im Bereich von 100 Nanometern. Bei Raumtemperatur liegt die Wellenlänge bei wenigen Pikometern und damit fünf Größenordnungen unterhalb der Wellenlänge von sichtbarem Licht. Man erwartet deshalb, mit Atominterferometern eine weitaus höhere Empfindlichkeit als mit optischen Interferometern zu erreichen. Die Verwendung von Atominterferometern wurde jedoch für lange Zeit durch technische Schwierigkeiten erschwert, da kohärenzerhaltende Strahlteiler und Spiegel für Materiewellen nicht verfügbar waren. Nach den ersten Experimenten zur Beugung von Materiewellen in den 1930er Jahren dauerte es bis Ende der 1980er Jahre, bevor die ersten Atominterferometer aufgebaut wurden. Die dazu entwickelten Methoden legten die Grundlagen zur gezielten Manipulation von atomaren Wellenfunktionen, dem sogenannten "Quantum Engineering".