Mit Quetschlicht zum Weltrekord

© A. Franzen und T. Steinhaus

Sogenanntes gequetschtes Laserlicht hat maßgeschneiderte Quanteneigenschaften und erlaubt präzisere Messungen als gewöhnliches Laserlicht. Es wird seit sechs Jahren erfolgreich am Gravitationswellen-Detektor GEO600 nahe Hannover eingesetzt und verbessert dessen Messgenauigkeit erheblich. In einem Grundlagen-Experiment haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) und der Leibniz Universität Hannover nun das am stärksten gequetschte Laserlicht erzeugt und ihren bisherigen Weltrekord weit übertroffen. Zudem ermöglicht das Rekordlicht ein neues Verfahren, um die Quantenausbeute von Photodetektoren zu ermitteln. Dieses ist unabhängig von bisherigen Verfahren und erfordert keine aufwändig kalibrierten Referenzlichtquellen.

Handwerkszeug für die Gravitationswellen-Astronomie

Laserlicht ist das Handwerkszeug der Gravitationswellen-Astronomie, die vor einem Jahr mit dem ersten direkten Nachweis verschmelzender Schwarzer Löcher begann. Interferometrische Detektoren wie Advanced LIGO, Virgo und GEO600 vermessen kilometerlange Lichtlaufstrecken auf Bruchteile eines Atomkerns genau mittels Lasern.

Die Messgenauigkeit dieser Detektoren ist auch durch das quantenmechanische "Rauschen" des Lichts begrenzt. Daher arbeiten AEI-Forschende seit mehreren Jahren an der Entwicklung immer besserer Speziallichtquellen, deren Quantenrauschen besser ist als die Natur üblicherweise erlaubt – sogenanntes Quetschlicht. Diese kommen bereits seit dem Jahr 2010 im Gravitationswellen-Detektor GEO600 nahe Hannover zum Einsatz und verbessern dessen Empfindlichkeit.

Eigenen Weltrekord gebrochen

Nun haben die Wissenschaftler am AEI in Laborexperimenten ihren eigenen Weltrekord aus dem Jahr 2010 bei der Erzeugung von Quetschlicht übertroffen und eine neue Bestmarke gesetzt. Sie konnten das Quantenrauschen um einen Faktor 32 verringern. Um den neuen Rekord zu erreichen, verbesserten die Physiker bestehende Aufbauten mit besonders verlustarmen optischen Komponenten und eigens optimierten Photodetektoren.

Neues Verfahren zur Ermittlung der Quantenausbeute

Mit dem besonders stark gequetschten Licht lässt sich erstmals auch ein vollkommen neues Verfahren zur Bestimmung der Quantenausbeute von Photodetektoren realisieren. Photodetektoren spielen unter anderem in Gravitationswellen-Detektoren eine wichtige Rolle. Dort registrieren sie das Licht am Ausgang des Detektors, durch dessen Schwankungen sich die Gravitationswellen verraten. Entscheidend dabei ist, wie effizient der Photodetektor das einfallende Licht in Strom umwandelt, die sogenannte Quantenausbeute.

Bisherige Verfahren

Während bisherige Verfahren zur Ermittlung der Quantenausbeute besondere hochpräzise kalibrierte Lichtquellen erfordern, ist dies bei der in Hannover neu entwickelten Methode überflüssig. Der Trick ist die Einfachheit der Messung. Die mittels Photodetektoren gemessene Quetschstärke des Laserlichts könnte prinzipiell beliebig hoch sein, ist aber von den auftretenden optischen Verlusten begrenzt.

Verbesserte Quantenausbeute

In ihrem Experiment bestimmten die Physiker aus Hannover einen Gesamtverlust von 2,5% ± 0,1% des Lichts. Nun mussten die Physiker lediglich alle Lichtverluste an Linsen, Spiegeln und anderen optischen Elementen bestimmen. Sie fanden heraus, dass sich auf diese Weise 2,0 Prozentpunkte des Gesamtverlusts erklären ließen. Die restlichen 0,5% sind daher der Verlust des Photodetektors. Damit erhielten die Wissenschaftler eine Quantenausbeute von 99,5% ± 0,5% für den von Ihnen optimierten Photodetektor.

Technologie für empfindlichere Gravitationswellen-Detektoren

Zukünftig wird der nun erzielte Weltrekord bei gequetschtem Licht auch Anwendung in Gravitationswellen-Detektoren wie Advanced LIGO, Virgo und GEO600 finden. Deren Empfindlichkeit wird sich langfristig durch die Verwendung von ähnlichen Quetschlichtquellen und Minimierung der optischen Verluste weiter steigern lassen. Auch geplante Detektoren der dritten Generation wie das Einstein Telescope werden auf diese Technologie angewiesen sein.

Zukünftig präzisere Messungen

Laborexperimente mit noch stärker gequetschtem Licht werden zudem präzisere Messungen der Quantenausbeute von Photodetektoren ermöglichen. Diese können langfristig eine unabhängige und genaue Alternative zu den etablierten Verfahren darstellen und weitere Anwendungen in der Quantenmetrologie ermöglichen.

Hintergrundinfo: Was ist gequetschtes Licht?

Licht ist ein Phänomen der Quantenphysik und folgt daher deren Wahrscheinlichkeitsspielregeln. Die physikalischen Größen, die das Licht charakterisieren, variieren leicht von Messung zu Messung – eine Folge der Heisenbergschen Unschärferelation.

Misst man die Phase und die Amplitude des elektromagnetischen Wellen, mit dem man Licht beschreiben kann, und trägt sie in einem Diagramm (1) auf, so verteilen sich deren Werte bei wiederholter Messung in einer unscharf begrenzten, kreisförmigen Scheibe. Deren Durchmesser bestimmt die quantenmechanische Unschärfe bei Messungen der Phase und Amplitude. Der Mittelpunkt der Scheibe ist durch die klassischen (nicht-quantenmechanischen) Messwerte von Phase und Amplitude bestimmt und im Bild durch die Spitze des grauen Pfeils dargestellt.

Bei gequetschtem Licht wird nun die Form dieses Kreises zu einer Ellipse gequetscht. Nach der Unschärferelation muss jedoch die Gesamtfläche erhalten bleiben – während die Messunschärfe in einer beobachtbaren Größe verkleinert wird, wächst sie in der anderen an (2 und 3). Je nach Messvorgang kann dies jedoch von Vorteil sein. Der Gravitationswellen-Detektor GEO600 setzt Quetschlichtquellen seit dem Jahr 2010 mit großem Erfolg ein.

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut (AEI)) ist ein Institut der Max-Planck-Gesellschaft mit Teilinstituten in Potsdam-Golm und in Hannover, wo es eng mit der Leibniz Universität Hannover zusammenarbeitet. Seit seiner Gründung im Jahr 1995 hat sich das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik als international führende Forschungseinrichtung etabliert. Fünf Abteilungen und mehrere unabhängige Forschungsgruppen bearbeiten am AEI das gesamte Spektrum der Gravitationsphysik: von den gewaltigen Dimensionen des Universums bis zu den winzigen Strings. Das AEI ist die einzige Forschungseinrichtung weltweit, die all diese Felder unter einem Dach vereint. Drei der fünf Abteilungen sind Teil der LIGO Scientific Collaboration und haben entscheidend dazu beigetragen, den ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen Realität werden zu lassen.

(Veröffentlicht: 22. September 2016)