Konzeption und Aufbau eines Experimentes zur quantenlimitierten Inertialsensorik mit lasergekühlten Rubidiumatomen (PDF)

Interferometer beruhend auf Interferenzen von Materiewellen sind in den letzten 15 Jahren von Demonstrationsexperimenten zu hochempfindlichen Sensoren gereift. In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept für ein hochauflösendes Atominterferometer zur Messung von Rotationen und Beschleunigungen basierend auf lasergekühlten Rubidiumatomen (CASI: Cold Atom Sagnac Interferometer) und dessen experimentelle Umsetzung diskutiert. Ziel des Experimentes ist es, die Quantengrenzen eines solchen Inertialsensors zu erschließen und Messstrategien, beispielsweise kontinuierliche gegenüber periodische Messungen, zu bewerten und zu optimieren. Kalte Atome bieten den Vorteil, dass neben den inneren auch die äußeren Freiheitsgrade wie die Driftgeschwindigkeiten durch ein Interferometer präzise kontrolliert werden können. Mit langsamen kalten Atomen ist es so möglich, einen Sensor ohne Einbußen bei der Empfindlichkeit sehr kompakt aufzubauen. Durch den Einsatz zweier entgegenlaufender Ensembles kann zwischen Phasenverschiebungen resultierend aus Rotationen bzw. Beschleunigungen unterschieden werden. Die kalten Rubidiumatome driften gepulst oder kontinuierlich entlang einer flachen Parabelbahn mit einstellbaren longitudinalen Geschwindigkeiten zwischen 3 m/s und 20 m/s durch die Interferometerzone. Die Länge dieser Zone kann zwischen wenigen Millimetern bis hin zu 15 cm variiert werden. Bei einer longitudinalen Geschwindigkeit von 3 m/s ergibt sich mit 108 Atomen/s eine quantenrauschbegrenzte Empfindlichkeit von 1,6×10-9 rad/s√Hz für Rotationen sowie von 1×10-8 m/s2√Hz für Beschleunigungen. Eine Unterschreitung dieses Standardquantenlimits beispielsweise durch gezielte Korrelationen zwischen den beiden entgegenlaufenden Ensembles ist denkbar. Um die Empfindlichkeit von atomaren Inertialsensoren weiter zu steigern, kann die vorteilhafte Umgebung des Weltraums genutzt werden. Satellitenplattformen wie die vorgeschlagene HYPER-Mission bieten vielversprechende Möglichkeiten, mit Auflösungen von etwa 10-12 rad/s√Hz fundamentale Untersuchungen wie den ortsaufgelösten Nachweis des Lense- Thirring-Effektes der Erde durchzuführen.