Es geht um fundamentale Fragen der modernen Grundlagenphysik: 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, hat Prof. Dr. Piet O. Schmidt (Physikalisch-Technische Bundesanstalt und Leibniz Universität Hannover) jetzt eine der angesehensten Forschungsförderungen eingeworben: einen ERC Advanced Grant. Damit stellt der Europäische Forschungsrat (ERC) knapp 2,5 Millionen Euro für ein fünfjähriges Projekt zur Verfügung. Schmidts 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.
Dem geplanten Projekt hat Schmidt den Namen FunClocks gegeben, wobei „Fun“ für „Fundamentale Physik“ steht. Dass der Name auch an „Spaß“ erinnert, ist Schmidt nicht unangenehm: „Es macht schon Freude, auf diesem Niveau zu forschen“, sagt er. Schmidt ist einer der weltweit führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Quantenlogikspektroskopie. Dabei wird die optische Spektroskopie mit Methoden der Quantentechnologie kombiniert: Die Forschenden nutzen 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 ihrem jüngsten Experiment verwendete Schmidts Team die Kombination Beryllium (als Logik-Ion) und hochgeladenes Argon (als Spektroskopie-Ion, also das eigentliche Objekt ihres Interesses). Damit erreichten sie, 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 ihnen der Durchbruch für den Einsatz hochgeladener Ionen in der hochpräzisen Spektroskopie, wie sie in optischen Atomuhren verwendet wird.
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.
Über den ERC
Der Europäische Forschungsrat, der 2007 von der Europäischen Union gegründet wurde, ist die wichtigste europäische Förderorganisation für exzellente Pionierforschung. Jedes Jahr wählt er die besten und kreativsten Forschenden jeder Nationalität und jeden Alters aus, um Projekte in Europa durchzuführen. Der ERC bietet vier zentrale Förderprogramme an: Starting, Consolidator, Advanced und Synergy Grants. Mit dem zusätzlichen Förderprogramm „Proof of Concept“ hilft der ERC den Geförderten, die Lücke zwischen ihrer bahnbrechenden Forschung und den frühen Phasen ihrer Kommerzialisierung zu schließen. Bis heute hat der ERC fast 10 000 Forschende in verschiedenen Karrierestufen und mehr als 70 000 Postdoktoranden, Doktoranden und andere Mitarbeiter in ihren Forschungsteams gefördert. Der ERC wird von einem unabhängigen Leitungsgremium, dem wissenschaftlichen Rat, geleitet. Der Präsident des ERC ist Professor Jean-Pierre Bourguignon. Das Gesamtbudget des ERC für die Jahre 2021 bis 2027 beträgt mehr als 16 Milliarden Euro und ist Teil des Programms „Horizon Europe“, für das die EU-Kommissarin für Innovation, Forschung, Kultur, Bildung und Jugend, Mariya Gabriel, zuständig ist.
