Spieglein, wer ist der Genaueste im ganzen Land

7. Februar 2014, 19:02
2 Postings

Aus der Quantenphysik können auch marktfähige Produkte entstehen, beweisen Markus Aspelmeyer und Garrett Cole - Die Forscher entwickeln Spiegel für präzise optische Messgeräte

Die Quantenphysik steht nicht im Ruf, eine anwendungsorientierte Disziplin zu sein. Zumindest noch nicht. Jahrzehnte der Grundlagenforschung trennen uns wohl noch von brauchbaren Quantencomputern. Um bestimmte Quantenexperimente überhaupt durchführen zu können, sind die Wissenschafter etwa gezwungen, neue Materialien zu entwickeln, die spezielle optische oder mechanische Eigenschaften aufweisen.

"Quantenforschung und Hochtechnologieentwicklung gehen Hand in Hand", sagt Markus Aspelmeyer. Den Beweis dafür tritt der Quantenforscher, der an der Universität Wien und am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) tätig ist, gerade selbst an: Eine Kristallbeschichtung für Spiegel, Nebenprodukt der Forschungen seiner Arbeitsgruppe, könnte es möglich machen, die bisher genaueste Uhr zu bauen. Die Erfindung könnte nicht nur in der Grundlagenforschung, sondern auch in Satelliten oder in leistungsfähigerer Internet-Infrastruktur Anwendung finden. Gemeinsam mit seinem aus den USA stammenden Kollegen Garrett Cole gründete Aspelmeyer nun das Unternehmen Crystalline Mirror Solutions, um die Entwicklung der Spiegel "outzusourcen". Denn: "Wir hatten so viele Nachfragen, dass es unmöglich wurde, auf sie innerhalb einer normalen Forschungsgruppe einzugehen." Unterstützt wurde die Entwicklung anfänglich durch die "Proof of Concept"-Initiative der EU und das PreSeed-Programm des Austria Wirtschaftsservice (AWS). Die Unternehmensgründung selbst wird durch AWS-Seedfinancing gefördert.

Eigentlich wollten die Wissenschafter Quanteneffekte, die bisher an Objekten mit nur wenigen Tausend Atomen beobachtet wurden, auch an größeren Gebilden nachweisen. Dazu bauten sie elastische "Sprungbretter" , bestehend aus mehreren Milliarden Atomen, die durch Wechselwirkung mit Licht das gewünschte Ergebnis bringen sollten. Um quantenphysikalische Beobachtungen machen zu können, muss man die Elemente möglichst gut von der Umgebung isolieren, erklärt Aspelmeyer. Die kleinen schwingenden Plättchen wurden mithilfe von Lasern gekühlt, was aber eine hohe Reflexionsfähigkeit und mechanische Güte des Materials verlangt.

Die Forscher entwickelten zu diesem Zweck spezielle Monokristalle, die durch ihre molekulare Struktur hervorragende optische und mechanische Eigenschaften aufweisen.

An der makellosen Reflexion sind auch jene Forscher interessiert, die sich mit hochpräzisen, optischen Messungen von Raum und Zeit beschäftigen. Zentraler Bestandteil ihrer Systeme ist ein sogenannter optischer Resonator, bei dem zwei Spiegel so angeordnet sind, dass das Licht möglichst oft zwischen ihnen hin- und hergeschickt wird und sich so die Lichtwellen überlagern. "Die Spiegel müssen die Wellen ein paar Hunderttausend Mal reflektieren können, ohne dass ein signifikanter Anteil absorbiert wird", erklärt Aspelmeyer. Je größer der Abstand der Spiegel, desto genauer können sie messen. Bisher wurden diese Spiegel durch ein Beschichtungsverfahren hergestellt. Zwei unterschiedliche Materialien werden dabei zwischen 50- und 100-mal auf einen Glasträger aufgedampft.

Ein gewisses Maß an Messrauschen ist bei derartigen Spiegeln aber nicht zu verhindern. Die Oberfläche der Beschichtung bewegt sich und sorgt dafür, dass der Abstand, den das Licht zurücklegt, minimal fluktuiert. "In der Vergangenheit war das kein so großes Problem, weil andere Faktoren zu noch stärkerem Messrauschen geführt haben. Durch die Weiterentwicklung der Laser limitiert im Moment aber vor allem die Beschichtung genauere Messungen."

Das Spiegelkonzept von Aspelmeyer und Cole unterscheidet sich grundsätzlich von den konventionellen Spiegeln. "Wir lassen separat ein einkristallines Schichtsystem wachsen und übertragen es auf die Glasoberfläche", erklärt Aspelmeyer. Wenn das Glas hinreichend gut poliert ist, verbindet sich das homogene Molekulargitter der nur sechs Mikrometer dicken Kristallscheibe sofort bei Kontakt und ohne dass eine weitere Zwischenschicht notwendig wäre, mit der Glasoberfläche - ein Vorgang, der in der Mikrochip-Herstellung als "Bonden" bekannt ist. Bei den Einkristall-Spiegeln fällt das Problem der mechanischen Oberflächenbewegung nicht ins Gewicht, erklärt Aspelmeyer. Das Messrauschen werde derzeit um den Faktor zehn reduziert. Das bedeutet, dass die Spiegelabstände reduziert werden können, ohne die gewohnte Genauigkeit zu verlieren.

Breite Anwendung möglich

Die Quantenforscher sehen für das "Nebenprodukt" ihrer Experimente ein breites Anwendungsgebiet, auch abseits der Möglichkeit, dass es vielleicht einmal in der weltweit genauesten Uhr verbaut sein wird. "Es gibt durchaus einen kommerziellen Markt für optische Atomuhren", sagt Aspelmeyer. Die Zeitmesser in Geopositionierungssatelliten, die gemeinsam mit ihrer Position auch die genaue Uhrzeit auf die Erde schicken, müssen so klein wie möglich sein. Erst durch die Verbindung dieser Daten mehrerer Satelliten können Navigeräte eine exakte Position berechnen.

Auch beim Ausbau der Breitbandkommunikation gibt es Bedarf an genauen Zeitmessgeräten. "Jedes Internet-Backbone braucht einen Taktgeber, um Daten übermitteln zu können. Je genauer der Zeitstempel der Datenpakete ist, desto mehr Information kann übertragen werden", sagt Aspelmeyer.

Selbst zur Lösung eines Rätsels, das Albert Einstein hinterlassen hat, könnten die Kristallspiegel entscheidend beitragen. Experimentalphysiker versuchen, Gravitationswellen nachzuweisen, die sich aus der allgemeinen Relativitätstheorie ableiten lassen, aber noch nicht direkt nachgewiesen wurden. Auch hier limitieren die optischen Beschichtungen derzeit die Messungen. Kleinste messbare Veränderungen im Abstand zwischen den Spiegeln, der im Fall dieser Detektoren mehrere Kilometer beträgt, könnten auf die gesuchten Wellen in der Raumzeit hindeuten. (Alois Pumhösel, DER STANDARD, 5.2.2014)

  • Mit Licht, das zwischen zwei Spiegeln reflektiert wird, werden Raum und Zeit präzise gemessen. Eine neue Spiegeltechnik soll die Genauigkeit noch weiter erhöhen.
    illu.: brad baxley, jila scientific reports office (sro)

    Mit Licht, das zwischen zwei Spiegeln reflektiert wird, werden Raum und Zeit präzise gemessen. Eine neue Spiegeltechnik soll die Genauigkeit noch weiter erhöhen.

  • Die Quantenphysiker Garrett Cole ...
    foto: privat

    Die Quantenphysiker Garrett Cole ...

  • ... und Markus Aspelmeyer gründeten eine Firma.
    foto: privat

    ... und Markus Aspelmeyer gründeten eine Firma.

Share if you care.