Ein optischer 3D Quantensensor für Magnetfelder

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird versucht ein Magnetfeldmessinstrument zu realisieren welches Atome in einen quantenmechanischen Überlagerungszustand versetzt werden. Dieser Zustand setzen gleichzeitig sich aus zwei Energiezuständen, den Atome für gewöhnlich einnehmen können, zusammen. Nicht klassische Energiezustände sind eine Erscheinung der Quantennatur der Materie, die im täglichen Leben in dieser Form nicht auftreten. Diese speziellen Zustände erlauben es, die Energiestufen der speziell präparierten Atome mit einer Auflösung zu vermessen, die 1.000.000mal größer ist als der konventioneller Methoden. Im vorliegenden Fall reichen beispielsweise Magnetfelder aus, die 100.000mal kleiner sind als das Magnetfeld der Erde! Die experimentelle Anordnung arbeitet als hoch empfindliches Magnetometer, die es erlaubt, Magnetfelder mit höchster absoluten Genauigkeit zu erfassen. Eine weitere Besonderheit dieses Forschungsprojektes ist, dass neben den bloßen Wert der Magnetfeldstärke auch dessen Richtung aus den beobachteten Signalen des quantenmechanischen Überlagerungszustands extrahiert wird. Es wird weiters untersucht ob diese Methode eine Anwendung etwa im Auffinden von Land-Minen, der Vermessung des Erdmagnetfeldes oder das Auffinden von Bodenschätzen Anwendung finden kann.

Durch Laserlicht, das spektral aus mehreren geeigneten Frequenzkomponenten besteht, können Atome (hier Rubidium) derart energetisch angeregt werden, dass das -energetisch gesehen- am schwächsten gebundene, "äußerste" Elektron im Rubidium Atom einen sogenannten quantenmechanischen Überlagerungszustand einnimmt. Dieser Überlagerungszustand setzt sich gleichzeitig aus zwei Energiezuständen des Atoms (hier Rubidium) zusammen. Dieser sogenannte nicht klassische Zustand reagiert überaus empfindlich auf die Parameter des anregenden Laserlichtes und der energetischen Lage der Energiezustände des Atoms selbst. Die geringste Störung bringt diesen Zustand (auch Dunkelresonanz genannt) zum Verschwinden. Solche "Störungen" stellen in dem hier untersuchten Fall äußere Magnetfelder dar, die auf diese Art und Weise sehr empfindlich und präzise erfasst werden können. Bisher gelang es mit dieser Art der optischen Magnetfeldmessung mit Hilfe dieser Dunkelresonanzen nur die Erfassung der Stärke des Magnetfeldes. In diesem Projekt wurde eine Möglichkeit untersucht, wie ein Quanten Interferenz Magnetometer (genannt Coupled Dark State Magnetometer) so erweitert werden kann, dass Stärke und Richtung des Magnetfeldes erfasst und präzise gemessen werden können. Im Rahmen des Projektes hat sich herausgestellt, dass zur Bewältigung dieser Messaufgabe 4 derartige Laserstrahlen mit jeweils mehreren Frequenzkomponenten nötig sind. Überraschend war unter anderem, dass die angestrebte Winkel-Genauigkeit des Vektor-CDSM Magnetometers um den Faktor 100 besser war als ursprünglich angenommen! Dies öffnet künftig Möglichkeiten dieses neuartige Magnetometer in kompakten Geräten mit exzellenten Genauigkeits- und Stabilitätseigenschaften einzusetzen.