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Quantenmetrologie mit PTB-SQUIDs

Besonders interessant für:
  • Metrologieinstitute
  • SQUID-Anwender

SQUIDs aus der PTB lieferten die nötige Messgenauigkeit für spannende Experimente der Grundlagenphysik in zwei internationalen Kooperationsprojekten. In dem einen Fall ging es darum, mit ihnen hocheffizient Photonen zu detektieren. In dem anderen maßen PTB-SQUIDs extrem empfindlich die magnetischen Momente von Atomen des seltenen Isotops Helium-3.

Detektormodul mit zwei TES-Photonenzählern und einem SQUID-Sensorchip mit zwei Stromsensoren

Die PTB hat weltweit eine führende Rolle in der Entwicklung von SQUIDs inne. Diese supraleitenden Quanteninterferenzdetektoren (superconducting quantum interference devices) sind Sensoren zur sehr präzisen Messung extrem kleiner Magnetfeldänderungen. P T B - SQUIDs werden bei den unterschiedlichsten Messungen eingesetzt. Während sie in biomagnetischen Experimenten bereits seit zwei Jahrzehnten dazu dienen, etwa die winzigen Magnetfelder des menschlichen Herzens oder Gehirns zu erfassen, werden sie laufend in neue messtechnische Entwicklungen eingebunden. Dabei dienen die SQUIDS beispielsweise als empfindliche Stromsensoren in verschiedensten Konfigurationen oder werden als komplette integrierte Suszeptometer eingesetzt. Die PTB liefert dabei nicht nur die SQUID-Chips selber, sondern auch Verkabelung, Elektronik sowie das messtechnische Know-how, um die Sensoren in die jeweilige Kryotechnik und experimentelle Peripherie zu implementieren. Das war auch in den beiden internationalen Kooperationsprojekten der Fall.

Das eine Projekt war ein sogenanntes Bell-Experiment der Gruppe um Anton Zeilinger von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). Um dabei quantenmechanisch verschränkte Photonen hocheffizient und – ein entscheidender Punkt – in genügender Anzahl zu detektierten, wurden PTBSQUIDs zusammen mit supraleitenden Transition Edge Sensor-Mikrokalorimetern der Quantendetektorgruppe des National Institute of Standards and Technology (NIST, USA) als Einzelphotonendetektoren eingesetzt. Die Konfiguration der verwendeten TES/SQUID-Detektormodule und deren Tests erfolgten an der PTB. Für die Experimente an der ÖAW wurden darüber hinaus Kryotechnik und Elektronik der Firmen Entropy und Magnicon (Entwicklungspartner der PTB) verwendet. Durch die Experimente wurde der bisher vollständigste Nachweis der quantenmechanischen Verschränkung von Photonen erbracht. Photonen sind damit die ersten Quantenteilchen, für die alle sogenannten „Schlupflöcher“ in Bell-Experimenten geschlossen wurden.

Das zweite Experiment gehört zu einer bereits seit Mitte der 90er Jahre bestehenden engen Kooperation der PTB-Kryosensorgruppe mit der Gruppe von John Saunders von der Royal Holloway University London, bei der besonders empfindliche NMR-Spektrometer für Experimente bei ultratiefen Temperaturen entwickelt wurden. Unter anderem geht es um die Untersuchung des Isotops Helium- 3, das bei sehr tiefen Temperaturen supraflüssig wird, also ohne Reibungswiderstand fließen kann. Zusammen mit Kollegen der Cornell University Ithaca, USA, sperrten die Kooperationspartner aus London die Flüssigkeit bei extrem tiefen Temperaturen unterhalb von einem Millikelvin in dünne Käfige von nur einigen hundert Nanometer Dicke unter Druck ein. Die Eigenschaften der extrem dünnen Helium-3-Flüssigkeitslamelle, bei der die Wechselwirkungen der magnetischen Momente der Atomkerne von Helium-3 eine entscheidende Rolle spielen, wurden mit einem empfindlichen SQUID-NMR-Spektrometer untersucht. Bei den Messungen zeigte sich, dass das relativ komplizierte Phasendiagramm von Helium-3 durch das „Einsperren“ und die Eigenschaften seiner Grenzfläche zur Umgebung stark modifiziert wird.

Bell-Experiment:
Ansprechpartner

Jörn Beyer
Arbeitsgruppe 7.21 Kryosensoren
Telefon: (030)-3481-7379
joern.beyer(at)ptb.de 

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

M. Giustina, A. Mech, S. Ramelow, B. Wittmann, J. Kofler, J. Beyer, A. Lita, B. Calkins, T. Gerrits, S. W. Nam, R. Ursin, A. Zeilinger: Bell violation using entangled photons without the fair-sampling assumption, Nature 497, 227 (2013)

Helium-3-Experiment:
Ansprechpartner

Thomas Schurig 
Fachbereich 7.2 Kryophysik und Spektrometrie
Telefon: (030)-3481-7290
thomas.schurig(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

L.V. Levitin, R.G. Bennett, A. Casey, B. Cowan, J. Saunders, D. Drung, Th. Schurig, J.M. Parpia: Phase Diagram of the Topological Superfluid 3He Confined in a Nanoscale Slab Geometry. Science 340, 841-844 (2013)