Experimente mit levitierten und parametrisch gekühlten Nanopartikeln in der Schwerelosigkeit des Fallturms (NaiS)

DZiel des Projektes ist die Entwicklung neuartiger, präzise, Kraftsensoren, die sowohl in praktischen Anwendungen als auch in der physikalischen Grundlagenforschung genutzt werden können, wie z.B. zur Frage, ob es eine obere Massengrenze gibt, bis zu der die Quantenmechanik Gültigkeit behält. Diese Fragestellung ist besonders spannend vor dem Hintergrund der bisher unmöglichen Vereinbarkeit von Relativitätstheorie und Quantenmechanik. Optisch levitierte Nanopartikel sind ein relativ junges und dynamisches Arbeitsgebiet der Optomechanik. Ihr riesiges Potential liegt dabei in der Vielfältigkeit, Einfachheit und Präzision der möglichen Messungen. Levitierte Nanopartikel sind von äußeren Störeinflüssen weitestgehend abgeschirmt, sind aber sensitiv auf Trägheitskräfte, Gravitation sowie elektromagnetische Kräfte. Dabei kann ihre Position auf einige hundert fm genau bestimmt werden. Die erreichbaren Sensitivitäten profitieren dabei stark von einer Mikrogravitationsumgebung.

Im NaiS-Projekt soll ein Kraftsensor, basierend auf levitierten, gekühlten Nanopartikeln in Schwerelosigkeit demonstriert werden. Dieser Ansatz ist weltweit einzigartig und hat große Erfolgsaussichten. Zum einen sind die Laboraufbauten inzwischen robust und kompakt genug, um sie in einer Fallturmumgebung betreiben zu können, zum anderen besteht im Projekt das nötige Wissen zum Betrieb optischer Fallen in Schwerelosigkeit. Im freien Fall soll die Gravitationskraft einer neben dem Experiment platzierten Testmasse von einigen kg gemessen werden. Hierbei werden die praktischen Grenzen dieser Sensortechnik untersucht.

Darüber hinaus ist der Fallturmaufbau zugleich auch das erste mobile Experiment dieser Art und soll auch außerhalb der Mikrogravitationsumgebung zum Einsatz kommen. Hier bietet sich die Verwendung als Trägheitssensor in der Navigation an. Das Experiment wird also bewegt und aus der gemessenen Kraft der zurückgelegte Weg berechnet. Als bodengebundener Gravitationssensor kann die Apparatur insbesondere senkrecht zur Erdbeschleunigung vielversprechende Daten liefern. Auf diese Weise ließen sich Hohlräume oder massive Objekte berührungslos aufspüren, oder die Masseverteilung von Schiffen, Zügen oder Lastwagen ermitteln.

Zukünftig werden diese Sensoren von quantenmechanischen Techniken, wie gequetschten Licht- oder Teilchenzuständen sowie der Präparation im Grundzustand der optischen Falle profitieren. Um den Quantencharakter dieser Nanoteilchen nachweisen zu können, muss das zugehörige Wellenpaket ausgedehnt werden. Dies geschieht natürlicherweise in einer freien Entwicklungszeit, in der das Teilchen nicht gehalten werden darf. Auch dieses Themengebiet wird im Projekt bearbeitet. Dabei liegt ein Fokus auf der Entwicklung von Techniken, die die Freifallzeit von Nanopartikeln in Laboraufbauten verlängern können. Die so gewonnenen Ergebnisse werden dann auf den Betrieb im Fallturm übertragen, um z.B. die Schwerpunktsbewegung der Nanopartikel auch auf langen Zeitskalen kontrollieren zu können.

Für den direkten Nachweis quantenmechanischer Eigenschaften der Nanopartikel werden bestehende Konzepte auf Kompatibilität mit dem Fallturm untersucht und eigene Ideen, basierend auf Quantenreflexion, weiterentwickelt.



Laufzeit:

01.01.2024 – 31.12.2024

Förderkennzeichen:

50WM2180

Fördermittelgeber:

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR