Optische Interferometer, wie sie zum Beispiel in Gravitationswellendetektoren verwendet werden, sind die derzeit empfindlichsten Messgeräte. Ihre Empfindlichkeit und Stabilität werden durch thermodynamisch bedingte Längenänderungen, das so genannte Brownsche Rauschen, der hochreflektierenden Spiegelschichten begrenzt. Da dieses Grundrauschen durch die mechanische Dämpfung der Schichten bestimmt wird, wurden optische Beschichtungen auf Grundlage von kristallinen Materialien mit geringer Dämpfung, bzw. hoher mechanischer Güte entwickelt. Das spektrale Rauschen dieser Beschichtungen musste jedoch noch genau gemessen werden, da dies Messgeräte mit einer bisher unerreichten Präzision im Zeptometerbereich erfordert. Ein Team um Jialiang Yu und Uwe Sterr von der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Kooperation mit der Gruppe um Jun Ye am JILA/NIST in Boulder, USA hat nun die erste detaillierte Rauschcharakterisierung von kristallinen Beschichtungen bei kryogenen Temperaturen durchgeführt. Die Ergebisse der von QuantumFrontiers und DQ-mat unterstützten Arbeit haben sie in der aktuellen Ausgabe von Physical Review X veröffentlicht.
In ihren Experimenten verwendeten die Forschenden kristalline Beschichtungen in zwei voneinander unabhängigen kryogenen optischen Siliziumresonatoren. Sie bestätigten einerseits das erwartete niedrige Brownsche Rauschen aufgrund der geringen mechanischen Dämpfung, entdeckten aber auch unerwartet neue, viel größere Rauschquellen. Diese stellen ein potentielles Hindernis für eine einfache Verbesserung der nächsten Generation von kryogenen Gravitationswellendetektoren und ultrastabilen Lasern dar. Die beobachteten spektralen und räumlichen Eigenschaften des Rauschens können nun eine wichtige Grundlage zum Verständnis und zur anschließenden Optimierung dieser hochreflektierenden Spiegelbeschichtungen auf Halbleiterbasis bilden.
Weitere Untersuchungen an kristallinen Beschichtungen sollen über einen größeren Temperatur- und Wellenlängenbereich durchgeführt werden, um die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen zu erforschen. Ein besseres Verständnis könnte schließlich die Entwicklung von Methoden zur Rauschunterdrückung ermöglichen, um die hohen Erwartungen an diese Beschichtungen für künftige ultrasensitive Interferometer noch zu erfüllen.
Originalartikel:
Excess Noise and Photoinduced Effects in Highly Reflective Crystalline Mirror Coatings
Jialiang Yu, Sebastian Häfner, Thomas Legero, Sofia Herbers, Daniele Nicolodi, Chun Yu Ma, Fritz Riehle, Uwe Sterr, Dhruv Kedar, John M. Robinson, Eric Oelker, and Jun Ye
Phys. Rev. X 13, 041002
