SFB 1128:  Relativistische Geodäsie und Gravimetrie mit Quantensensoren - Modellierung, Geo-Metrologie und zukünftige Technologie (geo-Q)

• Fachliche Zuordnung: Geowissenschaften ; Informatik, System- und Elektrotechnik ; Physik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 239994235

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Die für diese Veränderungen relevanten Prozesse werden wir nur verstehen können, wenn wir die zeitlichen und räumlichen Variationen des Schwerefeldes der Erde analysieren. Gravitationsdaten ermöglichen die Quantifizierung von Massenveränderungen wie dem Massenverlust von polaren Eisschilden, dem Anstieg des Meeresspiegels durch Abschmelzprozesse und Veränderungen im Wasserkreislauf. Gravitationsdaten werden auch dringend benötigt, um die in der Geodäsie und Erdbeobachtung verwendeten Referenzsysteme zu verbessern. Die wissenschaftlichen Herausforderungen sind dreifach: • die Bestimmung und Beobachtung von globalen und regionalen Gravitations- und Massenveränderungen durch Prozesse, die nicht mit der Genauigkeit der aktuellen Gravitationsmesstechniken erfasst werden können; • die Bestimmung von Gravitationsschwankungen mit einer räumlichen Auflösung, die für ein genaues Verständnis der Massenumverteilung und für die Trennung der zugrundeliegenden Quelle und Mechanismen notwendig ist; • die Bereitstellung einer genauen Gravitationsreferenz für die Langzeitüberwachung von Prozessen als Grundlage für die zuverlässige Quantifizierung sowohl langfristiger Veränderungen als auch kurzfristiger Schwankungen. Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, sind neue Konzepte zur Beobachtung von Massenvariationen erforderlich. geo-Q hat das Fachwissen der Geodäsie und der Physik in einer einzigartigen Konstellation kombiniert und hat grundlegend neue Sensoren und Messtechniken auf Basis der Quantenmesstechnik erforscht und entwickelt. In der Satellitengravimetrie haben wir Laserinterferometer-Systeme genutzt, um Schwankungen in der Relativbewegung zwischen Testmassen im Orbit mit Nanometergenauigkeit über große Entfernungen und Pikometergenauigkeit im Labor zu messen, die eine geeignete räumliche und zeitliche Erfassung von Gravitationsschwankungen ermöglichen. Es ist uns gelungen, die wichtigsten Rauschursachen in der raumgestützten Laserinterferometrie zu charakterisieren und Methoden zu entwickeln, um sie zu vermindern. Hier konnte geo-Q entscheidend vom Wissenstransfer aus der sehr erfolgreichen Mission "LISA Pathfinder (LPF)" (2015 - 2017) in Schwerefeldmissionen profitieren. Die Mission GRACE Follow-On (GRACE-FO) (Start 2018) profitiert bereits von diesem wechselseitigen Austausch. Innerhalb geo-Q haben wir außerdem atomare Gravitationssensoren, die Materiewelleninterferometrie mit Atomen im nano-Kelvin- bis pico-Kelvin-Temperaturbereich nutzen, für die schnelle und sehr präzise Schwerefeldmessungen untersucht und entwickelt. Diese Neuentwicklungen umfassen sowohl kompakte, mobile Geräte für Feldkampagnen als auch stationäre Großgeräte für höchste Präzision. Während erstere neue Strategien für lokale und regionale Schwerefeldmessungen ermöglichen, werden letztere in Zukunft als neuer Messstandard dienen. geo-Q ermöglichte einen Paradigmenwechsel in der Atominterferometrie, indem es ein Quantengravimeter vorstellte, das Interferometrie mit auf Atomchips erzeugten Bose-Einstein-Kondensaten nutzt. Als dritte Säule leistete geo-Q Pionierarbeit im Bereich der relativistischen Geodäsie und ihrer praktischen Anwendung zur Realisierung physikalischer Höhensysteme und Schwerefeldbeobachtungen. Der Schlüssel dazu ist die Beobachtung und der Vergleich der Frequenzverschiebung durch die Gravitation über weite Entfernungen auf der Erde. Potentielle Gravitationsdifferenzen in geodätischen Netzwerken unter Verwendung transportabler optischer Atomuhren und Frequenzübertragung in Glasfasernetzwerken können so bestimmt werden. Zwischen Paris und Braunschweig wurden erfolgreiche Messungen auf dem Niveau 10^−17 für die relative Frequenzdifferenz durchgeführt. Neben der Erforschung von Messsystemen und -techniken, bei denen immer genauere Daten gewonnen wurden, haben wir außerdem eine solide theoretische Grundlage für die Analysemodelle erarbeitet. Dazu war eine spezifische relativistische Modellierung der verschiedenen beteiligten Gravitationsfeldgrößen und Messkonzepte erforderlich. Eine allgemeine relativistische Definition des Geoids wurde entwickelt und es wurde gezeigt, dass die "isochronometrischen Oberflächen" aus Uhrenmessungen mathematisch mit einer auf dem Nivellieransatz basierenden Definition übereinstimmen. In Hinblick auf die Entwicklung von Uhrennetzwerken, die eine Stabilisierung von Höhensystemen ermöglichen können, wurde mithilfe von synthetischen Uhrendaten untersucht, wie viele Uhren (≥ 4) nötig sind, um das Ergebnis in Kombination mit klassischen geodätischen Beobachtungen zu verbessern. Darüber hinaus wurde ein Rahmenkonzept entwickelt, um die allgemeine Relativitätstheorie mithilfe von Uhren zu testen. Diese Uhren und Konzepte ermöglichen neue Entwicklungsansätze für Aufgabenstellungen in der Geodäsie, wie die Vereinheitlichung von Höhensystemen und Schwerefeldbestimmungen in der Zukunft. Die geodätischen Projekte unterstützten die Entwicklung neuer Konzepte, um den Anforderungen an die Erdbeobachtung gerecht werden, und untersuchten die bestmögliche Nutzung dieser neuen Daten. Wir wissen heute, wie man mit Störsignalen in der Abstandsmessung zwischen Satelliten umgeht und sind auch in der Lage, potenziell störende Signale bei Uhrenmessungen zu berücksichtigen. Darüberhinaus ist es in geo-Q gelungen, durch die Kombination von weltraumgestützter Gravimetrie und terrestrischen Daten ein hochgenaues statisches Schwerefeld zu bestimmen. Die Entwicklung und Umsetzung neuer Konzepte zur Beobachtung von Massenverschiebungen bei geo-Q ermöglicht zukünftig die Gewinnung wichtiger quantitativer Größen für die Klimaforschung mit der dementsprechend enormen Bedeutung für alle Geowissenschaften.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2014). “Generalized gravitomagnetic clock effect”. In: Physical Review D Vol. 90, No. 4, p. 044059
  Hackmann E. and Lämmerzahl C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevD.90.044059)
• (2015). “A high-flux BEC source for mobile atom interferometers”. In: New Journal of Physics Vol. 17, No. 6, p. 065001
  Rudolph J., Herr W., Grzeschik C., Sternke T., Grote A., Popp M., Becker D., Müntinga H., Ahlers H., Peters A., Lämmerzahl C., Sengstock K., Gaaloul N., Ertmer W., and Rasel E. M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/6/065001)
• (2015). “Species-selective lattice launch for precision atom interferometry”. In: New Journal of Physics Vol. 17, No. 12, p. 123002
  Chamakhi R., Ahlers H., Telmini M., Schubert C., Rasel E. M., and Gaaloul N.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/12/123002)
• (2015). “Testing the universality of free fall with rubidium and ytterbium in a very large baseline atom interferometer”. In: New Journal of Physics Vol. 17, No. 3, p. 035011
  Hartwig J., Abend S., Schubert C., Schlippert D., Ahlers H., Posso-Trujillo K., Gaaloul N., Ertmer W., and Rasel E. M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/3/035011)
• (2017). Global Gravity Field Modeling from Satellite-to-Satellite Tracking Data. Lecture Notes in Earth System Sciences. Springer
  Naeimi M. and Flury J., eds.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-49941-3)
• (2016). “A clock network for geodesy and fundamental science”. In: Nature Communications Vol. 7, p. 12443
  Lisdat C., Grosche G., Quintin N., Shi C., Raupach S., Grebing C., Nicolodi D., Stefani F., Al-Masoudi A .and Dörscher S., Häfner S., Robyr J.-L., Chiodo N., Bilicki S., Bookjans E., Koczwara A., Koke S., Kuhl A., Wiotte F., Meynadier F., Camisard E., Abgrall M., Lours M., Legero T., Schnatz H., Sterr U., et al.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms12443)
• (2016). “Atom-chip fountain gravimeter”. In: Physical Review Letters Vol. 117, No. 20, p. 203003
  Abend S., Gebbe M., Gersemann M., Ahlers H., Müntinga H., Giese E., Gaaloul N., Schubert C., Lämmerzahl C., Ertmer W., Schleich W. P., and Rasel E. M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.117.203003)
• (2016). “Experimental demonstration of deep frequency modulation interferometry”. In: Optics Express Vol. 24, No. 2, pp. 1676–1684
  Isleif K.-S., Gerberding O., Schwarze T. S., Mehmet M., Heinzel G., and Cervantes F. G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/oe.24.001676)
• (2016). “Experimental demonstration of reduced tilt-to-length coupling by a two-lens imaging system”. In: Optics Express Vol. 24, No. 10, pp. 10466–10475
  Schuster S., Tröbs M., Wanner G., and Heinzel G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/oe.24.010466)
• (2016). “Time-variable gravity potential components for optical clock comparisons and the definition of international time scales”. In: Metrologia Vol. 53, No. 6, pp. 1365–1383
  Voigt C., Denker H., and Timmen L.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/0026-1394/53/6/1365)
• (2017). “A Data-Driven Approach for Repairing the Hydrological Catchment Signal Damage Due to Filtering of GRACE Products”. In: Water Resources Research Vol. 53, No. 11, pp. 9824–9844
  Vishwakarma B. D., Horwath M., Devaraju B., Groh A., and Sneeuw N.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/2017WR021150)
• (2017). “Definition of the relativistic geoid in terms of isochronometric surfaces”. In: Physical Review D Vol. 95, No. 10, p. 104037
  Philipp D., Perlick V., Pützfeld D., Hackmann E., and Lämmerzahl C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevD.95.104037)
• (2017). “Geodetic methods to determine the relativistic redshift at the level of 10−18 in the context of international timescales – A review and practical results”. In: Journal of Geodesy Vol. 92, No. 5, pp. 487–516
  Denker H., Timmen L., Voigt C., Weyers S., Peik E., Margolis H., Delva P., Wolf P., and Petit G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00190-017-1075-1)
• (2017). “High Performance Clocks and Gravity Field Determination”. In: Space Science Reviews Vol. 214, No. 1
  Müller J., Dirkx D., Kopeikin S. M., Lion G., Panet I., Petit G., and Visser P. N. A. M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11214-017-0431-z)
• (2017). “Laser-Frequency Stabilization via a Quasimonolithic Mach-Zehnder Interferometer with Arms of Unequal Length and Balanced dc Readout”. In: Physical Review Applied Vol. 7, No. 2, p. 024027
  Gerberding O., Isleif K.-S., Mehmet M., Danzmann K., and Heinzel G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.024027)
• (2017). “Possible alternative acquisition scheme for the gravity recovery and climate experiment follow-on-type mission”. In: Applied Optics Vol. 56, No. 5, pp. 1495–1500
  Luo Z., Wang Q., Mahrdt C., Görth A., and Heinzel G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/AO.56.001495)
• (2017). “Test of special relativity using a fiber network of optical clocks”. In: Physical Review Letters Vol. 118, No. 22, p. 221102
  Delva P., Lodewyck J., Bilicki S., Bookjans E., Vallet G., Le Targat R., Pottie P.-E., Guerlin C., Meynadier F., Le Poncin-Lafitte C., Lopez O., Amy-Klein A., Lee W.-K., Quintin N., Lisdat C., Al-Masoudi A., Dörscher S., Grebing C., Grosche G., Kuhl A., Raupach S., Sterr U., Hill I. R.and Hobson R., Bowden W., Kronjäger J., et al.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.118.221102)
• (2017). “Transportable Optical Lattice Clock with 7 × 10−17 Uncertainty”. In: Physical Review Letters Vol. 118, No. 7, p. 073601
  Koller S., Grotti J., Al-Masoudi A., Dörscher S., Häfner S., Sterr U., and Lisdat C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.073601)
• (2018). “A highly stable monolithic enhancement cavity for second harmonic generation in the ultraviolet”. In: Review of Scientific Instruments Vol. 89, No. 1, p. 013106
  Hannig S., Mielke J., Fenske J. A., Misera M., Beev N., Ospelkaus C., and Schmidt P. O.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5005515)
• (2018). “Analysis of Attitude Errors in GRACE Range-Rate Residuals - A Comparison Between SCA1B and the Fused Attitude Product (SCA1B+ACC1B)”. In: IEEE Sensors Letters Vol. 2, No. 2, pp. 1–4
  Goswami S., Klinger B., Weigelt M., and Mayer-Gurr T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1109/LSENS.2018.2825439)
• (2018). “Analysis of GRACE range-rate residuals with focus on KBR instrument system noise”. In: Advances in Space Research Vol. 62, No. 2, pp. 304–316
  Goswami S., Devaraju B., Weigelt M., and Mayer-Gürr T.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.asr.2018.04.036)
• (2018). “Analysis of non-tidal ocean loading for gravitational potential observations in northern Europe”. In: Journal of Geodynamics Vol. 119, pp. 23–28
  Leßmann L. and Müller J.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jog.2018.05.008)
• (2018). “Atomic clocks for geodesy”. In: Reports on Progress in Physics Vol. 81, No. 6, p. 064401
  Mehlstäubler T. E., Grosche G., Lisdat C., Schmidt P. O., and Denker H.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6633/aab409)
• (2018). “Clock networks for height system unification: a simulation study”. In: Geophysical Journal International Vol. 216, No. 3, pp. 1594–1607
  Wu H., Müller J., and Lämmerzahl C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1093/gji/ggy508)
• (2018). “Experimental and theoretical investigation of a multimode cooling scheme using multiple electromagnetically-induced-transparency resonances”. In: Phys. Rev. A Vol. 98 (2), p. 023424
  Scharnhorst N., Cerrillo J., Kramer J., Leroux I. D., Wübbena J. B., Retzker A., and Schmidt P. O.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.023424)
• (2018). “Geodesy and metrology with a transportable optical clock”. In: Nature Physics Vol. 14, No. 5, pp. 437–441
  Grotti J., Koller S., Vogt S., Häfner S., Sterr U., Lisdat C., Denker H., Voigt C., Timmen L., Rolland A., Baynes F. N., Margolis H. S., Zampaolo M., Thoumany P., Pizzocaro M., Rauf B., Bregolin F., Tampellini A., Barbieri P., Zucco M., Costanzo G. A., Clivati C., Levi F., and Calonico D.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41567-017-0042-3)
• (2018). “Gravitational clock compass in general relativity”. In: Phys. Rev. D Vol. 98, No. 2 (2), p. 024032
  Puetzfeld D., Obukhov Y. N., and Lämmerzahl C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.024032)
• (2018). “Line of sight calibration for the laser ranging interferometer on-board the GRACE Follow-On mission: on-ground experimental validation”. In: Opt. Express Vol. 26, No. 20, pp. 25892–25908
  Koch A., Sanjuan J., Gohlke M., Mahrdt C., Brause N., Braxmaier C., and Heinzel G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/oe.26.025892)
• (2018). “Modeling approaches for precise relativistic orbits: Analytical, Lie-series, and pN approximation”. In: Advances in Space Research Vol. 62, No. 4, pp. 921–934
  Philipp D., Woeske F., Biskupek L., Hackmann E., Mai E., List M., Lämmerzahl C., and Rievers B.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.asr.2018.05.020)
• (2018). “Reducing tilt-to-length coupling for the LISA test mass interferometer”. In: Classical and Quantum Gravity Vol. 35, No. 10
  Troebs M., Schuster S., Lieser M., Zwetz M., Chwalla M., Danzmann K., Barranco G. F., Fitzsimons E. D., Gerberding O., Heinzel G., Killow C. J., Perreur-Lloyd M., Robertson D. I., Schwarze T. S., Wanner G., and Ward H.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6382/aab86c)
• (2018). “Simulation-based evaluation of a cold atom interferometry gradiometer concept for gravity field recovery”. In: Advances in Space Research Vol. 61, pp. 1307–132
  Douch K., Wu H., Schubert C., Müller J., and Pereira dos Santos F.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.asr.2017.12.005)
• (2018). “Test of the Gravitational Redshift with Galileo Satellites in an Eccentric Orbit”. In: Phys. Rev. Lett. Vol. 121 (23), p. 231102
  Herrmann S., Finke F., Lülf M., Kichakova O., Puetzfeld D., Knickmann D., List M., Rievers B., Giorgi G., Günther C., Dittus H., Prieto-Cerdeira R., Dilssner F., Gonzalez F., Schönemann E., Ventura-Traveset J., and Lämmerzahl C.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.231102)
• (2018). “Towards the LISA backlink: experiment design for comparing optical phase reference distribution systems”. In: Classical and Quantum Gravity Vol. 35, No. 8
  Isleif K.-S., Bischof L., Ast S., Penkert D., Schwarze T. S., Barranco G. F., Zwetz M., Veith S., Hennig J.-S., Troebs M., Reiche J., Gerberding O., Danzmann K., and Heinzel G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-6382/aaa879)
• (May 2018). “Fast manipulation of Bose–Einstein condensates with an atom chip”. In: New Journal of Physics Vol. 20, No. 5, p. 055002
  Corgier R., Amri S., Herr W., Ahlers H., Rudolph J., Guéry-Odelin D., Rasel E. M., Charron E., and Gaaloul N.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/aabdfc)
• (2019). “A comparison of fixed-and free-positioned point mass methods for regional gravity field modeling”. In: Journal of Geodynamics Vol. 125, pp. 32–47
  Lin M., Denker H., and Müller J.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jog.2019.01.001)
• (2019). “Atomic source selection in space-borne gravitational wave detection”. In: New Journal of Physics Vol. 21, No. 6, p. 063030
  Loriani S., Schlippert D., Schubert C., Abend S., Ahlers H., Ertmer W., Rudolph J., Hogan J. M., Kasevich M. A., Rasel E. M., and Gaaloul N.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1367-2630/ab22d0)
• (2019). “Compact Multifringe Interferometry with Subpicometer Precision”. In: Physical Review Applied Vol. 12, No. 3
  Isleif K.-S., Heinzel G., Mehmet M., and Gerberding O.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.034025)
• (2019). “Grace Accelerometer Calibration by High Precision Non-gravitational Force Modeling”. In: Advances in Space Research Vol. 63, No. 3, pp. 1318–1335
  Wöske F., Kato T., Rievers B., and List M.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.asr.2018.10.025)
• (2019). “Picometer-Stable Hexagonal Optical Bench to Verify LISA Phase Extraction Linearity and Precision”. In: Physical Review Letters Vol. 122, No. 8
  Schwarze T. S., Barranco G. F., Penkert D., Kaufer M., Gerberding O., and Heinzel G.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.081104)
• (2019). “Towards a transportable aluminium ion quantum logic optical clock”. In: Review of Scientific Instruments Vol. 90, No. 5, p. 053204
  Hannig S., Pelzer L., Scharnhorst N., Kramer J., Stepanova M., Xu Z. T., Spethmann N., Leroux I. D., Mehlstäubler T. E., and Schmidt P. O.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5090583)