FHWN entwickelt Quantensensoren für die Westentasche

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Quantensensoren / Foto: FHWN
Die integrierte Atomfalle in Ihrer Messumgebung.Foto: FHWN

Der Gravitation auf der Spur

Mit dem ICAS-Programm entwickelt die FH Wiener Neustadt gemeinsam mit Partnerinnen und Partnern der Universität Nottingham Sensoren, die mithilfe ultrakalter Atome besonders genaue Messungen von Gravitationsfeldern ermöglichen.

Quantenphysik ist der Inbegriff schwerer theoretischer Lektüre und aufwändiger experimenteller Forschungsaufbauten. Wie also soll es gelingen, damit konkrete Anwendungen umzusetzen und handfeste Produkte zu erzeugen, die den Alltag revolutionieren? Genau das zeigt gerade ein Forschungsteam der FHWN aus Mechatronik- und Physik-Koryphäen rund um Christian Koller gemeinsam mit Studierenden der beiden Studiengänge Mechatronik und Mechatronik & Mikrosystemtechnik.

Im Rahmen des ehrgeizigen Projekts ICAS, das für „Integrated Cold Atom Sensors“ steht, entwickeln sie einen ultrasensiblen Sensor für Gravitationsfelder. Trotz seiner nur Quadratzentimeter großen Dimensionen wird er in der Lage sein, Änderungen der Erdgravitation mit nie dagewesener Genauigkeit in einer mobilen Anwendung zu messen, wie Koller begeistert erzählt: „Die Einsatzmöglichkeiten unserer Technologie sind überwältigend: So lassen sich Wasserleitungen im Boden und in den Wänden erkennen, Hohlräume aufspüren, archäologische Ausgrabungen unterstützen und sogar Vulkanausbrüche besser vorhersagen – die Palette ist riesig“.

Spitzentechnologie – einfach erklärt

Quantenphysik beschreibt, was die Welt im Innersten zusammenhält. Sie ist die Lehre von den Naturgesetzen, die in den allerkleinsten Strukturen des Universums wirken. Mit den Vorstellungen der klassischen Physik hat diese wundersame Welt nicht viel gemeinsam und für den menschlichen Verstand ist sie, gelinde gesagt, eine Herausforderung. Die Bereiche, um die es hier geht, sind zudem empfindlich gegenüber äußeren Störungen, was die technische Nutzung schwierig macht. Bei Temperaturen, die nur Nanokelvin über dem absoluten Nullpunkt von -273,15° C liegen, ändert sich das aber. Hier gelingt es, ein Ensemble von Atomen in so genannte „kollektive Quantenzustände“ zu überführen, die deutlich robuster sind. Seit geraumer Zeit untersucht man diese Mechanismen im Labor, bislang fehlten allerdings die technischen Lösungen für alltagstaugliche Anwendungen.

Möglich wird das nun durch eine besondere Kühlungsmethode. Was die Vorstellungskraft der meisten Menschen übersteigt, erklärt Christian Koller vereinfacht so: „Mithilfe von Lasern aus mehreren Richtungen werden einzelne Atome aus heißem Dampf ,abgebremst´, ähnlich wie ein fahrendes Auto, auf das man viele kleine Bälle schießt, bis es zum Stehen kommt, jede Bewegung wird mit Beschuss aus der Gegenrichtung gestoppt. Am Ende stehen die Atome fast still und sind damit, physikalisch gesehen, „extrem kalt“. Fängt man sie mit Magnetfeldern im Vakuum ein, bleiben Sie isoliert, behalten ihre Quanteneigenschaften und werden zu sensiblen Messinstrumenten.

Miniaturisierung schafft kommerzielle Anwendungspotenziale

Während in Nottingham die Durchführung der Experimente erfolgt, konzentriert sich die FHWN auf die Entwicklung von Komponenten auf Halbleiterbasis, die eine Miniaturisierung und Massenfertigung ermöglichen. Was bisher schrankgroß war, soll künftig so klein wie eine Briefmarke und in der Fertigung skalierbar sein.

Ergänzt wird das Projekt durch FHWN-Studentin Lisa Knöbelreiter, die in ihrer Mechatronik-Masterarbeit an optischen Chipkomponenten forscht und sie in einer Forschungsgruppe um Lucia Hackermüller an der Universität Nottingham an Prototypen testet. Sie sollen das von den Atomen gestreute Licht hocheffizient an integrierte optische Detektoren weitergeben, um die Sensorsysteme noch präziser zu machen und den Grundstein für eine Serienfertigung zu legen. Weitere Studierende beschäftigen sich mit der Implementierung einer digitalen Logik, um die Auswertung und Interpretation von Messungen direkt am Chip durchführen zu können.

Wie bedeutsam diese Entwicklung ist, zeigt sich auch darin, dass das Projekt innerhalb des „Marie Skłodowska-Curie“-Netzwerks der EU mit einer von europaweit nur zehn Doktorats-Stellen gefördert wird. Nicht nur das – mit einem Score von 99 aus 100 möglichen Punkten war es 2021 das europaweit beste Proposal im Bereich Physik – eine Auszeichnung für die Relevanz der Forschung. Neben der FHWN und der Uni Nottingham arbeitet mit der University St. Andrews (GB) eine weitere international renommierte Forschungsinstitution an dem Projekt.

„Unsere Forschung nutzt die fundamentalen Prozesse der Quantenmechanik, um fortgeschrittene Lösungen zu realisieren. Die Zusammenarbeit mit den FHWN-Mechatronikerinnen und Mechatronikern hat sich dabei als sehr fruchtbar erwiesen, weil sie sehr erfahren darin sind, komplexe technische Herausforderungen zu meistern“, so Thomas Fernholz, zuständig für den experimentellen Messaufbau der Chipentwicklungen, Uni Nottingham.

„Hackers meet makers“ / Foto: © FHWN

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