Schwebende Magnete für die Quantenmesstechnik

• Antragsteller: Professor Dr. Dmitry Budker, Ph.D.; Professor Dr. Martin Bodo Plenio; Professor Dr. Ernst Maria Rasel
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500314265

Schwebende Mikromagnete wurden theoretisch als Bausteine ​​einer Reihe von hybriden Quantensystemen und als extrem rauscharme Sensoren für Drehmoment, Kraft oder Magnetfeld vorgeschlagen, die herkömmliche quantenbegrenzte Geräte in Bezug auf die Energieauflösung weit übertreffen können. Dieses herausragende Potenzial wird durch jüngste bahnbrechende Experimente unterstützt, ist jedoch noch lange nicht vollständig belegt. In diesem Projekt zielen wir auf eine systematische Untersuchung von Sensoren basierend auf schwebenden Mikromagneten ab. Wir werden verschiedene Levitationsplattformen erforschen, wie supraleitende Fallen basierend auf dem Meissner-Effekt, On-Chip-Schaltungen für magnetisches Einfangen, freien Fall und Paul-Fallen für geladene Mikromagnete, und die Kopplung an verschiedene Quantensysteme oder -geräte wie Nitrogen-vacancy (NV)-Zentren in Diamant und SQUIDs. Wir werden in erster Linie die Librations- und Rotationsbewegung der schwebenden Magnete untersuchen und uns auf die Detektion von ultraniedrigen Drehmomenten und Magnetfeldern konzentrieren, mit dem Ziel, eine beispiellose Energieauflösung zu demonstrieren. Insbesondere wollen wir das empfindlichste Regime demonstrieren, das der atomähnlichen Larmor-Präzession eines mesoskopischen Magneten entspricht, einem besonderen Effekt, der aus der Quantennatur des intrinsischen Spins resultiert. Theoretisch erwarten wir eine hervorragende Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik in Bezug auf die Energieauflösung. Zum Beispiel erwarten wir, das Energy Resolution Limit um Größenordnungen zu überwinden, eine semiempirische Grenze, die von allen existierenden Quantenmagnetometern erfüllt zu werden scheint. Wir werden dann das Potenzial der entwickelten Sensoren in spezifischen wissenschaftlichen Fällen von großem Interesse in der Grundlagenphysik ausschöpfen, wie zum Beispiel bei der Untersuchung exotischer Wechselwirkungen, die sich aus neuer Physik jenseits des Standardmodells ergeben. Als langfristige Vision werden wir das Potenzial für zukünftige Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie mit Quantenspinsystemen (insbesondere schwebenden Magneten) im Weltraum untersuchen. Wir streben eine erste Proof-of-Principle-Demonstration im Einstein-Elevator an, bei der die Larmor-Präzession eines frei fallenden Magneten auf denkbar sauberste Weise beobachtet werden kann. Das Projekt wird von der hochgradig transversalen und interdisziplinären Natur des Konsortiums profitieren, das Wissenschaftler aus den verschiedenen Bereichen der Diamant-NV-Zentren, Ionenfallen, kalten Atome, hybriden Quantensysteme, SQUIDs, Optomechanik und optischer Magnetometrie vereint, die sich der schwebenden Quantenmagnetomechanik zuwenden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Großbritannien, Israel, Italien, Lettland, USA
• Mitverantwortlich: Dr. Arne Wickenbrock, Ph.D.
• Kooperationspartner: Professor Yehuda Band; Professor Andrejs Cebers; Professor Dr. Ron Folman; Professor Gabriel Hétet; Professor Dr. Derek Jackson-Kimball; Professor Hendrik Ulbricht; Dr. Andrea Vinante