Forschungsthemen

Im Rahmen eines ERC Advanced Grant führen wir Präzisionsspektroskopie des einfachsten Moleküls durch (zwei Kerne, ein Elektron). Wir vergleichen die gemessenen Übergangsfrequenzen mit den theoretischen Vorhersagen. So lassen sich wichtige Themen erschließen: die Bestimmung von Fundamentalkonstanten, ein Test der Welleneigenschaften von Quantenteilchen, eine Suche nach neuartigen Fundamentalkräften, den sog. "fünften Kräften". Für weitere Information, siehe Alighanbari et al 2020 und Kortunov et al 2021. Wir entwicklen in diesem Projekt auch neue Methodiken für die Spektroskopie von Ionen in Fallen.

In Zusammenarbeit mit unseren Partnern Dr. C. Lisdat (PTB Braunschweig) und Prof. K. Bongs (U. Birmingham) haben wir eine transportable optische Atomuhr ("SOC2") auf der Basis von ultrakalten Strontium-atomen entwickelt [Origlia et al 2018]. Derzeit befindet sich ein Upgrade in Vorbereitung, mit einem neuen Uhrenlaser, einem transportablen Gitterlaser, und einem transportablen Frequenzkamm. Wir beabsichtigen, die SOC2-Uhr in naher Zukunft in der Fundamentalstation Wettzell zu betreiben (Zusammenarbeit mit Prof. U. Schreiber, TUM) und mit dem ISS-Experiment ACES Zeitsignale auszutauschen.

In einem zweiten Projekt entwickeln wir eine transportable Ytterbium-Gitteruhr.  Dabei soll ein modernes Lasersystem zum Einsatz kommen. Beide Projekte werden von den Entwicklungen eines BMBF-geförderten Projekts zur Quantentechnologie, "ISABELLA", profitieren. Wir sind hier an einem Forschungskonsortium beteiligt (Koordinator: Dr. Sacher (Sacher Lasertechnik GmbH).

Wir suchen mit spektroskopischen Experimenten nach zeitlichen Oszillationen von Fundamentalkonstanten. Solche Oszillationen sind eine denkbare Konsequenz eines quantenmechanischen Feldes von Teilen der dunklen Materie. In einem ersten Experiment, in Zusammenarbeit mit der Univ. Mainz, haben wir einen molekülspektroskopischen Ansatz demonstriert [Oswald et al - arxiv], aber keine Signaturen für Oszillationen gefunden. Diese Art von Experimenten wird weiter entwickelt.

Ein optischer Resonator kann aus einem Materieblock mit geeigneten physikalischen Eigenschaften (z. B. Steifigkeit, Wärme­leitfähigkeit, Wärme­ausdehnungs­koeffizient, Formstabilität), hier aus einem Kristall, und zwei gegenüberliegend angebrachten Spiegeln hergestellt werden. Zur Überwachung der Dimensionsstabilität eines Resonators kann eine Laserwelle in ihn eingekoppelt werden. Aus moderner Sicht bietet der Vergleich der durch den makroskopisch optischen Resonator definierten Frequenz mit der Frequenz eines mikroskopischen (Quanten-)Normals (einer Atomuhr) einen Ansatz für die Suche nach Signaturen hypothetischer Zeit­veränderungen der Fundamental­konstanten, der Expansion des Universums, einer Verletzung des Äquivalenzprinzips der Relativitätstheorie und der Wechselwirkung zwischen herkömmlicher und dunkler Materie.

Wir haben Pionierarbeit auf dem Gebiet der kryogenen optischen Resonatoren geleistet und verfolgen seit langem das Ziel, die Eigenschaften solcher Resonatoren zu untersuchen und sie für physikalische Grundlagenuntersuchungen zu nutzen. Unsere jüngsten Arbeiten befassen sich mit Resonatoren, die aus nahezu perfekten Siliziumkristallen hergestellt und über Monate bis Jahre kontinuierlich bei 1,5 Kelvin betrieben wurden. Unter diesen Bedingungen wurde ein extrem geringer Langzeitdrift der Resonatorfrequenz festgestellt. Wir arbeiten daran, die Kurzzeitstabilität des Resonators insbesondere durch den Einsatz eines kryogenen Schwingungsisolationssystems zu verbessern und werden neue Tests zur Grundlagenphysik durchführen.