Millionenförderung: Europäischer Forschungsrat fördert Suche nach „Neuer Physik“

Hannover (Deutschland) – Im Rahmen des „ERC Advanced Grant“ fördert der Europäische Forschungsrat (ERC) die Suche nach der sogenannten „Neuen Physik“, also nach Physikalischen Eigenschaften jenseits der bislang bekannten Physik, mit 2,5 Millionen Euro. Das Ziel: eine mindestens 10-fache Verbesserung der Grenzen für neue Kräfte und Änderungen von Naturkonstanten zu erreichen und mit seinen neuartigen Messverfahren auch wichtige Fragestellungen in der Astronomie und Plasmaphysik zu adressieren.

Wie die gemeinsame Pressemitteilung der Physikalisch-technischen Bundesanstalt (PTB) und der Leibniz Universität Hannover berichtet, ergeht die auf 5 Jahre ausgelegte Förderung an das Team um Prof. Dr. Piet O. Schmidt.

In dem Projekt werde es um fundamentale Fragen der modernen Grundlagenphysik gehen, erläutern die Wissenschaftler: „Ist unsere Beschreibung der Natur vollständig? Was ist dunkle Materie? Ändern sich Naturkonstanten mit der Zeit oder dem Ort?“

Theoretische Vorhersagen bescheinigen optischen Uhren basierend auf hochgeladenen Ionen eine 20-fach größere Empfindlichkeit gegenüber diesen Effekten im Vergleich zu bisherigen Uhren. Mit einem Konzept zur erstmaligen Realisierung solch spezieller Uhren, bei denen die hochgeladenen Ionen mithilfe vom Quantentechniken kontrolliert und über Laserspektroskopie gemessen werden. Ziel des Projekts „FunClocks“ (Fundamentale Physik Uhren) ist eine mindestens 10-fache Verbesserung der Grenzen für neue Kräfte und Änderungen von Naturkonstanten zu erreichen und mit seinen neuartigen Messverfahren auch wichtige Fragestellungen in der Astronomie und Plasmaphysik zu adressieren. Dass der Name auch an „Spaß“ erinnert, ist Schmidt nicht unangenehm: „Es macht schon Freude, auf diesem Niveau zu forschen“, sagt er.

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Prof. Dr. Piet O. Schmidt ist einer der weltweit führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Quantenlogikspektroskopie, die die optische Spektroskopie mit Methoden der Quantentechnologie kombiniert: Hierbei nutzen die Forschenden die Tatsache, dass zwei verschiedene Teilchen quantenmechanisch gekoppelt sein können. So verwenden sie ein sogenanntes Logik-Ion für die Manipulationen und Kontrolle (wie etwa extreme Kühlung und die anschließende spektroskopische Messung), um letztlich etwas über ein anderes Ion herauszufinden. Genau dieselben Methoden werden auch im „Quantum Valley Lower Saxony“ (QVLS) eingesetzt, um einen 50-Qubit-Quantencomputer aufzubauen. „Wir profitieren bei unseren Experimenten von dem einmaligen Umfeld mit der PTB als nationalem Metrologieinstitut, der Leibniz Universität, der Technologieentwicklung im Rahmen von QVLS und der Grundlagenforschung zu „Neuer Physik“ im Rahmen des Exzellenzclusters QuantumFrontiers“, hebt Schmidt, der auch Sprecher des „Quantum Valley Lower Saxony“ ist, hervor.

In den jüngsten Experiment verwendete Schmidts Team die Kombination Beryllium (als Logik-Ion) und hochgeladenes Argon (als Spektroskopie-Ion, also das eigentliche Objekt ihres Interesses), und erreichten damit, in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, eine Verbesserung von neun Größenordnungen gegenüber früheren Aufbauten, bei denen hochgeladene Ionen in Elektronenstrahl-Ionenfallen erzeugt und untersucht wurden. Mit dieser gewaltigen Erhöhung der Genauigkeit gelang denn auch der Durchbruch für den Einsatz hochgeladener Ionen in der hochpräzisen Spektroskopie, wie sie in optischen Atomuhren verwendet wird.

Hintergrund
Ein hochgeladenes Ion ist ein Atom, das viele Elektronen verloren hat und daher eine hohe positive Ladung aufweist. Je höher geladen ein Ion, desto näher befinden sich die verbleibenden Elektronen am Atomkern und desto schneller bewegen sie sich auch. Dies führt zur hohen Empfindlichkeit dieser Ionen gegenüber Effekten, die die „Neue Physik“ postuliert, bei gleichzeitiger Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Störeffekten. „Daher eignen sich die hochgeladenen Ionen besonders gut für optische Uhren“, sagt Schmidt. „Durch unsere neue Methode können wir hochgeladene Ionen in unterschiedlichsten Ladungszuständen untersuchen. Dadurch bekommt das Periodensystem eine dritte Dimension, nämlich den Ladungszustand“, erläutert Schmidt. Damit will sein Team optische Atomuhren mit unterschiedlichen Spezies bauen, die nach ihren Eigenschaften ausgewählt werden können: etwa im Hinblick auf ihre Eignung, dunkle Materie und mögliche Änderungen der Feinstrukturkonstante nachzuweisen, oder im Hinblick darauf, dass sie bei der Suche nach bislang unentdeckten sogenannten „fünften Kräften“ hilfreich sind. Diese Kräfte werden in Theorien der Neuen Physik wie der Stringtheorie vorhergesagt, konnten aber bisher selbst mit den besten verfügbaren Messungen nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden.

Während dies ein Feld ausschließlich für Messungen größter Genauigkeit ist, will das Team im Projekt auch weitere, etwas einfachere Methoden der Präzisionsspektroskopie an hochgeladenen Ionen entwickeln, die dann vielfältige Anwendung etwa in der Astronomie oder der Plasmaphysik finden könnten.

Der ERC Advanced Grant ist einer der höchstdotierten Forschungsförderungs-Auszeichnungen überhaupt. Mit ihm unterstützt der Europäische Forschungsrat der EU internationale Top-Forschende bei grundlegenden Projekten von besonderer, international bedeutsamer Tragweite und Zukunftsfähigkeit.

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Quelle: Uni Hannover

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Andreas Müller

Fachjournalist Anomalistik | Autor | Publizist