BERICHT/057: Exzellenzcluster QUEST gestartet - Forschung am Quantenlimit (idw)
Leibniz Universität Hannover - 23.05.2008
Exzellenzcluster QUEST gestartet - Forschung am Quantenlimit beginnt
Heute, am 23. Mai 2008, hat der Hannoveraner Exzellenzcluster QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time-Research) offiziell seine Arbeit aufgenommen. In den vier Bereichen Quanten Engineering, Quantensensoren, Raum-Zeit-Forschung und Neuartige Technologien werden hier in den kommenden fünf Jahren rund 60 neue Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusätzlich zu den 190 bereits vorhandenen Mitarbeitern Forschung am Quantenlimit betreiben. Sie werden die schon heute verfügbaren Quantentechnologien weiter verfeinern, um damit beispielsweise
| - | ganz grundlegende Fragen der Physik zu beantworten - unter anderem nach der Struktur und den grundlegenden Kräften unseres Universums. |
| - | anwendungsorientiert zu arbeiten und neues Wissen z.B. für Satellitennavigationssysteme der nächsten Generation oder Erdbeobachtungssysteme zu entwickeln. |
Man kann sich QUEST im weitesten Sinne als interdisziplinäre Quantenwerkstatt vorstellen. QUEST schafft hierfür neue Infrastruktur und neue Arbeitsgruppen, die die vorhandene Forschungskompetenz der Institute strategisch erweitern. Beispielsweise werden durch QUEST bereits in diesem Jahr acht neue Professuren und mehr als zehn Nachwuchsforschergruppen und Forschergruppen an der Leibniz Universität Hannover und bei ihren Partnern eingerichtet.
Auf die acht Anfang März ausgeschriebenen Professuren haben sich
ausgesprochen hochkarätige Kandidaten aus aller Welt beworben - ein
deutliches Zeichen für die Attraktivität von QUEST und die
Forschungslandschaft in und um Hannover. QUEST wurde im Rahmen der
Exzellenzinitiative der Bundesregierung im Oktober 2007 für einen
Zeitraum von fünf Jahren bewilligt. Ausgestattet mit 6,5 Millionen
Euro pro Jahr, bietet er den beteiligten Wissenschaftlern
herausragende Rahmenbedingungen für eine kreative und innovative
Forschungsarbeit.
"Die Exzellenzinitiative hat in der gesamten niedersächsischen
Hochschullandschaft eine enorme positive Bewegung erzeugt. Und die
Hochschulen, die sich in einem Feld von über 300 Bewerbungen für die
drei Förderlinien durchgesetzt haben, können sich zu den
Spitzenhochschulen in Deutschland zählen.
Die Bewilligung des Excellenzclusters QUEST "Centre for Quantum Engineering and Space Time Research" ist eine große Auszeichnung für den Bereich Physik, ja, auch für die Leibniz Universität insgesamt, zu der wir alle Beteiligten nur beglückwünschen können", so Wissenschaftsminister Lutz Stratmann.
Prof. Dr. Wolfgang Ertmer, Koordinator von QUEST: "Wir verfügen in Hannover über führende Einrichtungen, die an einzelnen Atomen, Atominterferometern, atomaren Quantensensoren, Lasern und Atomuhren sowie der Astronomie mit Gravitationswellen oder der Erdbeobachtung und Geodäsie forschen. Die intensive Zusammenarbeit so unterschiedlicher Fachgebiete wird entscheidend zur Beantwortung der wissenschaftlichen Fragen beitragen."
Prof. Dr. Karsten Danzmann, stellvertretender Koordinator von QUEST: "Der Start von QUEST ist ein ganz besonderer Moment für alle Beteiligten, deren überaus großes Engagement jetzt mit hervorragenden interdisziplinären Forschungsbedingungen belohnt wird. QUEST wird den Vergleich mit international renommierten Wissenschaftseinrichtungen nicht scheuen müssen."
An QUEST beteiligte wissenschaftliche Einrichtungen:
| - |
Leibniz Universität Hannover Institut für Quantenoptik (IQ) Institut für Gravitationsphysik Institut für Theoretische Physik Institut für Festkörperphysik Institut für Erdmessung (IFE) Institut für Angewandte Mathematik (IFAM) |
| - |
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI), Hannover |
| - | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), Hannover |
| - | Gravitationswellendetektor GEO600, Ruthe |
| - | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig |
| - | Zentrum für Raumfahrt und Mikrogravitation (ZARM), Bremen |
Die Exzellenzinitiative der Bundesregierung
Mit der Exzellenzinitiative für Hochschulen wollen Bund und Länder Forschung und Innovation in Deutschland unterstützen. Bis 2011 werden Projekte in der Exzellenzinitiative mit insgesamt 1,9 Milliarden Euro gefördert, 75 Prozent davon trägt der Bund, 25 Prozent die Länder. Insgesamt 40 Graduiertenschulen sollen mit jährlich jeweils einer Million Euro die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses fördern. Für Netzwerke wissenschaftlicher Spitzenforschung, so genannte Exzellenzcluster, stehen 195 Millionen Euro pro Jahr zur Verfügung. Universitäten, die mindestens einen wissenschaftlichen Exzellenzcluster von internationalem Ruf, eine Graduiertenschule sowie eine schlüssige Gesamtstrategie zu einem weltweit anerkannten "Leuchtturm der Wissenschaft" vorweisen können, können sich auch mit "Zukunftskonzepten zur universitären Spitzenforschung" bewerben. Für diese Förderlinie stehen 210 Millionen Euro pro Jahr zur Verfügung.
Weitere Informationen
Ziel der an QUEST beteiligten Wissenschaftler ist, die gequantelte Welt der Quantenphysik mit der kontinuierlichen Relativitätstheorie von Raum, Zeit und Gravitation in einem physikalischen Modell zu vereinen. Dabei können die Wissenschaftler auf völlig neue Konzepte zur Präzisionsmessung von Länge, Zeit, Beschleunigung, Rotation etc. zurückgreifen, die in den vergangenen Jahren durch neue Quanten-Technologien und Methoden des Quanten- Engineerings geschaffen worden sind. Hierzu zählen zum Beispiel die neuen Atomlaser oder Bose-Einstein-Kondensate, ein von Einstein vorhergesagter und inzwischen experimentell verifizierter makroskopischer Quantenzustand der Materie.
Die QUEST-Forschungsprojekte werden eine enge Verbindung zwischen Grundlagen- und angewandter Forschung herstellen, denn die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung liefern wesentliche Informationen für Anwendungsbereiche wie Satellitennavigationssysteme der nächsten Generation. Hierzu gehören unter anderem das europäische Navigationssystem Galileo, neue Erdbeobachtungssatelliten oder erheblich genauere geodätische Referenzsysteme. Quantentechnologien, wie sie hier verwendet und entwickelt werden, bilden daher eine hervorragende Basis für Industriekooperationen und innovative High-Tech-Produkte.
Bereich "Quanten-Engineering"
Die neuen Möglichkeiten der Manipulation von Licht und Materie, die
mit dem Begriff "Quanten-Engineering" umschrieben werden, haben in den
letzten Jahren die Atomphysik und Quantenoptik revolutioniert. Damit
erschließt sich diesen Forschungsfeldern ein gänzlich neues Spektrum
an Parameterbereichen: So wie man die kohärenten (zusammenhängenden)
Lichtwellen des Laserlichts auch als Strom vieler Lichtteilchen bzw.
Lichtquanten beschreiben kann, so zeigt ein Teilchenstrom extrem
kalter Atome (durch Laserkühlung nahe an den absoluten
Temperaturnullpunkt von ca. -273°C gekühlt) mit sinkender Temperatur
immer dominanter den Charakter einer kohärenten Materiewelle.
In den Bereich des Denkbaren rücken hierdurch so genannte Atomlaser,
die Materiewellen mit laserartigen Eigenschaften emittieren. Dies
eröffnet der so genannten Atomoptik - wie der Laser in der Optik - in
der Quantenoptik ein völlig neues Anwendungsspektrum sowohl in der
fundamentalen Forschung wie auch in neuartigen technischen
Anwendungen.
Quanten-Engineering bildet daher einen eigenen großen
Forschungsbereich in QUEST.
Dieses Feld bildet die Grundlage für die anderen Forschungsbereiche
und Innovationen im Exzellenz-Cluster. Hierzu zählen etwa neuartige
Quantensensoren, die nächste Generation optischer Atomuhren, bei denen
das "Pendel" im Takt der Lichtfrequenz (circa 1015Hz) schwingt,
Gravitationswellendetektoren der nächsten Generation oder neuartige
Präzisionsmessgeräte für die Geodäsie.
In diesem Sinne bietet Quanten-Engineering eine Werkbank für neue
Ideen, um die Forschung auf diesen Feldern voranzutreiben, ihre
physikalischen Grenzen auszuloten und insbesondere neue, weit
komplexere und gekoppelte Quantenphänomene zu untersuchen. Die
experimentellen und theoretischen Methoden verschiedener Disziplinen
werden hier zusammengeführt, um damit neue Kontrollmechanismen für
Quantensysteme zu schaffen.
Bereich "Quantensensoren"
Diese Kontrolle ist die Voraussetzung für die Entwicklung von
Quantensensoren der nächsten Generation. Im Bereich "Quantensensoren"
werden neue Gravitationswellendetektoren, optische Frequenznormale und
Atomuhren sowie Inertialsensoren mit Licht- und Materiewellen
entwickelt.
Die drei derzeit arbeitenden Gravitationswellenobservatorien LIGO
(US), Virgo (ital.-frz.) und GEO600 (dt-brit.) sind die
empfindlichsten Detektoren zur Messung von Längenunterschieden
überhaupt: Die Längenänderung in den beiden Armen der Detektoren wird
durch ein hochpräzises Laserinterferometer gemessen. In GEO600, dem
Gravitationswellendetektor in Ruthe, südlich von Hannover, wird die
Technik der nächsten Generation bereits getestet und eingesetzt.
Um hier noch weiter zu kommen, wird in QUEST bereits intensiv an neuen
Lichtquellen gearbeitet, die eine besondere Form des Lichts -
"gequetschtes Licht" - verwenden, um die lichtbasierten Rauschbeiträge
unter das so genannte Quantenrauschlimit zu drücken. Aus diesem
Forschungsbereich resultieren auch die notwendigen Entwicklungen für
den weltraumbasierten Gravitationswellendetektor "LISA", der unter der
wissenschaftlichen Federführung des Albert-Einstein-Instituts Hannover
konzipiert wird. Das Potenzial der Atomoptik verspricht Atomuhren mit
solch unvorstellbaren Genauigkeiten, dass allein schon Durch die
relativistische Rotverschiebung im Gravitationsfeld der Erde zwei
Uhren, die sich in der Höhe über dem Labortisch nur um einen
Zentimeter unterscheiden, messbar im Gang abweichen. Diese
Forschungsarbeiten in QUEST gestatten hoch interessante
Anwendungsmöglichkeiten in der Geodäsie, die damit den Geoid
(Potenzial der Erdschwere) mit Hilfe dieser extrem präzisen Atomuhren
genau vermessen kann.
Andererseits werden in QUEST neue Atominterferometer konzipiert und
gebaut, die als hochgenaue Inertialsensoren die besten "klassischen"
Beschleunigungs- und Rotationssensoren bei weitem übertreffen werden.
Diese Sensoren werden als weltraumtaugliche Sensoren z.B. den freien
Fall verschiedener Massen - insbesondere auf Quantenniveau mit
verschiedenen Elementen bzw. Isotopen - untersuchen, um damit das so
genannte Äquivalenzprinzip immer genauer zu überprüfen. Dies könnte
die ersten Hinweise für eine Theorie der unerforschten
Quantengravitation liefern. Mit dem gleichen Ziel wird in QUEST
versucht, die Konstanz der Naturkonstanten zu überprüfen, indem man
höchstpräzise Atomuhren, die jeweils mit unterschiedlichen Isotopen
als atomare Referenz betrieben werden, miteinander vergleicht.
Bereich "Raum-Zeit-Forschung"
Auf der Jagd nach dem großen Ziel der fundamentalen Physik, der
ultimativen Vereinigung von Quantentheorie und Gravitation, haben
Theoretiker in den letzten 30 Jahren verschiedene radikale Konzepte
entwickelt, wie etwa die Stringtheorie mit ihren zusätzlichen
Raumdimensionen.
Alle diese Kandidaten sagen spezifische neuartige Raum-Zeit-Phänomene
voraus, deren Größenordnung jedoch völlig unbekannt ist. Erwartet
werden unter anderem Verletzungen des Äquivalenzprinzips ("alle Massen
fallen gleich"), sich zeitlich ändernde "Fundamentalkonstanten" (etwa
der Elementarladung), Fluktuationen der Raumzeit-Geometrie
("Raumzeit-Schaum"), anomale Lichtausbreitung im All, modifizierte
Schwerkraft und ein Gravitationswellen-Echo des Urknalls.
Die in QUEST zu entwickelnden Präzisionsinstrumente sind hervorragend
geeignet, um die Struktur von Raum und Zeit auf bisher unerreicht
kleiner Skala zu sondieren und damit in der Lage, den genannten
Phänomenen nachzuspüren. QUEST spannt hierbei einen Bogen zwischen
Theorie und Experiment: Auf der einen Seite beeinflusst die
theoretische Modellbildung die Anwendungen von QUESTs Quanten-Sensoren
im Entwurf neuartiger Experimente mit Atomuhren, Trägheitssensoren
(zur präzisen Messung von Beschleunigung, Rotation und
Inertialkräften), Gravitationswellendetektoren und beispielsweise dem
Erde-Mond-System (Lunar Laser Ranging). Auf der anderen Seite
fokussiert eine Verbesserung der Präzision die Anstrengungen der
Theoretiker und wird ihnen ermöglichen, ihre Modelle der
Quantengravitation einzuengen.
Die besondere Stärke von QUEST besteht in der einmaligen Mischung von
Raum-Zeit-Sonden: Neue Quanten-Sensoren und Präzisionsuhren können die
Konstanz der Naturkonstanten überprüfen und unterstützen
beispielsweise millimetergenaue Erdvermessung, welche die Erforschung
des Erdsystems revolutioniert und die Allgemeine Relativitätstheorie
herausfordert. Zukünftige Gravitationswellen-Observatorien auf der
Erde und im Weltraum könnten unsere kosmologischen Vorstellungen vom
Quantenursprung unseres Universums testen und damit die Physik
moderner Teilchenbeschleuniger komplementieren. QUEST kann nur
gewinnen: Werden keine neuen Phänomene gefunden, schränkt dies die
Theorien weiter ein; jede klare Entdeckung eines Signals der
Quantengravitation hingegen wäre eine Sensation!
Bereich "Neuartige Technologien"
Die ambitionierten Ziele von QUEST beruhen zu einem ganz wesentlichen
Teil auf hoch entwickelten experimentellen Techniken, die in der
Abteilung "Neuartige Technologien" auf höchstem Niveau erforscht und
weiter ausgebaut werden. Aufbauend auf der in Hannover traditionell
starken laserphysikalischen Grundlagenforschung arbeiten auf diesem
Feld hauptsächlich Gruppen des Laserzentrums, der PTB und des
Instituts für Quantenoptik gemeinsam an der Entwicklung von Optischen
Technologien der nächsten Generation. In diesem Bereich werden
Lasersysteme erforscht und weiter entwickelt, die weltweit nur hier in
Hannover zur Verfügung stehen. Sie zeichnen sich durch eine extrem
hohe Lichtleistung, eine hohe Präzision in der Wellenlänge des
Laserlichts oder durch geringes Rauschen aus. So bilden Lasersysteme
aus Hannover auch die Basis der amerikanischen
Gravitationswellendetektoren.
Die hohen Anforderungen an die Laser gelten genauso auch für die
optischen Einzelkomponenten, aus denen die Systeme zusammengesetzt
sind, wie etwa die Laserspiegel oder spezielle Lichtleitfasern. Die
Anforderungen an diese Komponenten werden immer höher: So müssen die
Optiken extremen optischen Leistungen standhalten können oder zum
Beispiel auch für den Einsatz im Weltraum tauglich sein, wie das in
Hannover entwickelte Lasersystem für die kommende Merkurmission. Um
das zu ermöglichen, werden neue Materialien und Konzepte für den
Einsatz in optischen Systemen erforscht. QUEST ermöglicht den
beteiligten wissenschaftlichen Arbeitsgruppen, ihre weltweite
Führungsposition weiter auszubauen beziehungsweise an anderen Stellen
zu den führenden Gruppen in der Welt aufzuschließen.
Kontaktdaten zum Absender der Pressemitteilung unter:
http://idw-online.de/pages/de/institution128
Quelle:
Informationsdienst Wissenschaft e. V. - idw - Pressemitteilung
Leibniz Universität Hannover, Dr. Stefanie Beier, 23.05.2008
WWW: http://idw-online.de
E-Mail: service@idw-online.de
veröffentlicht im Schattenblick zum 27. Mai 2008