Ein universelles Anti/Materiewelleninterferometer

Vor fast neunzig Jahren sagte der französische Physiker Louis de Broglie die Existenz von Materiewellen voraus.Damitbekommt jedes massenbehaftete Objekt eine quantenmechanische Eigenschaft zugeschrieben, welche in der klassischen Welt nicht existieren dürfte nämlich eine Wellenlänge. In den letzten Jahrzehnten entwickelte sich die anfänglich hauptsächlich von proof-of-principle Experimenten geprägte Materiewellen- Forschung in ein eigenes Forschungsfeld, das durch Verwendung dieser Welleneigenschaft auf hochpräzise Messungen spezialisiert ist. Enormen Fortschritt brachte die Möglichkeit Materiewellen rein mithilfe von optischen Laserpulsen zu manipulieren. Was schwere und komplexe Moleküle und molekulare Cluster betrifft, waren und sind österreichische Experimente an der Universität Wien federführend [1,2]. Das hier beschriebene Projekt soll hier anknüpfen. Mithilfe von starken nicht resonanten Laserpulsen soll ein universelles Materiewelleninterferometer im Bragg-Regime gebaut werden. Unter Bragg-Regime versteht man, dass man Materiewellenstrahlteiler mit beliebigem Teilungsverhältnis erzeugen kann. Dieses Interferometerkonzept konnte schon für verschiedene Atome gezeigt werden und ist mittlerweileeine vielversprechendeTechnik,dieinden meisten großen Atominterferometerfontänen [3,4] für Hochpräzisionsmessungen eingesetztwird [5]. Elementabhängig wird jedoch eine spezielle Laserwellenlänge benötigt, wodurch diese Atominterferometer meist nur für ein spezielles Isotop einer Spezies von Atomen geeignet sind. In dem hier beschriebenen Projekt soll ein Materiewelleninterferometer im Bragg- Regime gebaut werden, das unabhängig von der Energiestruktur der Teilchen universell fast alle Atome aber auch Elektronen und Protonen sowie auch deren Antiteilchen, die Antimaterie kohärent manipulieren kann [6]. Neutrale Antimaterie, speziell Antiwasserstoff, wurde erst kürzlich zum ersten Mal am CERN erzeugt, und bietet sich daher bestens an, das Äquivalenzprinzip mit Antimaterie zu testen. Da Antimaterieatome nur unter großem Aufwand und in geringer Zahl hergestellt werden können, und bei Kontakt mit normaler Materie annihilieren, bietet ein optisches Interferometer, das nicht destruktiv mit den Antiatomen wechselwirkt im Vergleich zu einem Gitterinterferometer aus Materie einen großen Vorteil. [1] K. Hornberger, S. Gerlich, P. Haslinger S. Nimmrichter,M. Arndt, Rev. Mod. Phys. 84, 157 2012 [2] P. Haslinger, N. Dörre, P. Geyer, J. Rodewald, S. Nimmrichter,M. Arndt, Nat. Phys. 9, 144 2013 [3] S.-Y. Lan, P.-C. Kuan, B. Estey, P. Haslinger, and H. Müller, Phys. Rev. Lett. 108, 090402 2012 [4] S. M. Dickerson, J. M. Hogan, A. Sugarbaker, D. M. S. Johnson, and M. A. Kasevich, Phys. Rev. Lett. 111, 083001 2013 [5] A. D. Cronin, J. Schmiedmayer, and D. E. Pritchard, Rev. Mod. Phys. 81, 1051 2009 [6] P. Hamilton, A. Zhmoginov, F. Robicheaux, J. Fajans, J. S. Wurtele, and H. Müller, Phys. Rev. Lett. 112, 121102 2014

Gleich zu Beginn der Forschungstätigkeit an der UC Berkeley in der Gruppe von Prof. Holger Müller hat sich schnell herausgestellt, dass wir das geplante Atominterferometer mit Cäsiumatomen und einer Cavity verwirklichen werden können. Cäsium lässt sich im Vergleich zu Lithium viel einfacher mit Laserlicht kühlen und fangen. Anstelle des im Antrag erwähnten komplexen Lasersystems, versuchen wir das Laserlicht von einem einfachen Diodenlaser mithilfe von einer optischen Cavity zu überhöhen. Dieses verstärkte Laserfeld wird verwendet, um die Wellenfunktion von Cäsiumatome zu teilen und anschließend wieder kohärent zusammenzufügen. Dabei interferieren die zwei geteilten Wellenfunktionen des Atoms miteinander und das Atom kann einen von zwei möglichen Endzuständen annehmen. Verwendet man nicht nur ein einzelnes Atom, sondern Millionen von Atomen gleichzeitig, so kann man aus dem Verhältnis dieser Endzustände sehr genau auf alle auf die Atome wirkenden Kräfte schließen. Dies kann verwendet werden, um z.B. die Gravitationskraft der Erde sehr genau zu bestimmen, oder aber auch für die Suche nach einer Fünften Kraft. Dunkle Energie kann zum Beispiel so eine Kraft erzeugen. Dunkle Energie wird als Gegenpol zur nur anziehenden Gravitationskraft betrachtet und soll die beschleunigte Expansion des Universums erklären. Es gibt Modelle, in denen die Dunkle Energie auf neuen noch unentdeckten Teilchen basiert. Wechselwirken diese neuen Teilchen mit normaler Materie kann das zu einer sogenannten fünften Kraft führen, die wir im Grunde messen können. Doch bis jetzt konnte in etlichen sehr genauen Laborexperimenten noch keine Evidenz einer solchen neuen Kraft nachgewiesen werden. Diese scheinbare Nichtnachweisbarkeit auf der Erde inspirierte Theoretiker/innen, und sie erfanden einen Mechanismus, der diese Kräfte in einer speziellen Art abschwächt, in Abhängigkeit von der umgebenden Materiedichte. Dies kann selbst schon durch die auf der Erde vorhandene Atmosphäre geschehen. Eine solche Kraft wird durch ein Chamäleonfeld beschrieben, in Anlehnung an ein Chamäleon, das sein Äußeres je nach Umgebung ändern kann. Da die verwendeten Cäsiumatome sehr verdünnt in einer Vakuumkammer gehalten und dann nur durch elektromagnetische Strahlung manipuliert werden, ist die umgebende Materialdichte sehr gering und die durch das Chamäleonfeld entstehende Kraft nicht abgeschirmt. Unterstützt durch mein Erwin-Schrödinger Stipendium konnten wir durch unsere Messungen einen sehr großen potenziellen Parameterbereich für dieses Chamäleonfeld ausschließen. Atom-interferometry constraints on dark energy P. Hamilton, M. Jaffe, P. Haslinger, Q. Simmons, H. Müller, and J. Khoury Science 349, 849 (2015) arXiv:1502.03888 Testing sub-gravitational forces on atoms from a miniature in-vacuum source mass Matt Jaffe*, Philipp Haslinger*, Viktoria Xu, Paul Hamilton, Amol Upadhye, Benjamin Elder, Justin Khoury, Holger Müller *co-first authors Nature Physics, 13, 938-942 (2017) arXiv:1612.05171 Nach diesen Messungen verwendeten wir unser Experiment um eine bisher nichtbeachtete anziehende Kraft von Schwarzkörperstrahlung experimentell nachzuweisen. Attractive force on atoms due to blackbody radiation Philipp Haslinger, Matt Jaffe, Victoria Xu, Osip Schwartz, Matthias Sonnleitner, Monika Ritsch-Marte, Helmut Ritsch, Holger Müller Nature Physics, 14, 257-260 (2018) arXiv:1704.03577