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Neuer Sensor misst mit verlangsamtem Licht die Gravitation winziger Objekte
Eine kaum messbare Anziehung: Forscher haben einen Sensor entwickelt, der die Schwerkraft einer nur sechs Millimeter großen Masse mithilfe stark verlangsamten Lichts nachweist. Dafür kombinieren sie eine empfindliche Drehwaage mit einem optischen Mikroresonator. Das Verfahren erfasst extrem schwache Änderungen der Gravitationskraft, ist allerdings noch kein Test der Quantennatur der Schwerkraft.
Shanghai (China). Die Anziehungskraft der Erde hält uns am Boden, doch zwischen kleinen Gegenständen ist die Gravitation kaum zu spüren. Je geringer ihre Masse, desto leichter verschwinden die schwachen Kräfte im Rauschen der Umgebung. Gerade bei winzigen Objekten könnten solche Messungen aber helfen, die Grenzen unserer Gravitationstheorien auszuloten.
Schon klassische Drehwaagen machen sehr geringe Anziehungskräfte sichtbar: Ein dünn aufgehängtes Pendel verdreht sich unter dem Einfluss einer benachbarten Masse. Mit einer Miniaturversion dieses Versuchs wurde bereits die Gravitation von Goldkügelchen unter 100 Milligramm gemessen. Doch die winzige Bewegung zuverlässig auszulesen, ist technisch aufwendig.
Forscher der Shanghai Jiao Tong University (SJTU) um Prof. Wenjie Wan haben nun ein solches Torsionspendel mit einem optischen Mikroresonator verbunden. Entscheidend ist dabei nicht eine noch kleinere Quellmasse, sondern ein neues Verfahren, das die minimale Auslenkung des Pendels in ein empfindliches Lichtsignal übersetzt.
Der optische Sensor besteht aus einer winzigen Glaskugel, an deren Rand Licht viele Male entlangläuft. Neben dieser Kugel verläuft eine dünn ausgezogene Glasfaser. Der Abstand beider Bauteile bestimmt, wie stark das Licht zwischen ihnen gekoppelt wird. Bereits äußerst kleine Bewegungen des Pendels verändern deshalb das gemessene optische Signal.
Hinzu kommt ein besonderer Verstärkungseffekt. Im Mikroresonator wechselwirkt das Licht mit mechanischen Schwingungen des Materials, die durch die sogenannte Brillouin-Streuung angeregt werden. Diese Kopplung verändert die optischen Resonanzen so stark, dass sich die Lichtsignale im Resonator deutlich langsamer ausbreiten.
Die Forscher erreichten eine Gruppengeschwindigkeit von nur rund 2.000 Metern pro Sekunde. Der Begriff „gestopptes Licht“ bedeutet dabei nicht, dass Lichtteilchen tatsächlich stillstehen. Vielmehr wird die Ausbreitung der Lichtinformation stark verzögert, während der Resonator besonders empfindlich auf kleinste Abstandsänderungen reagiert. Die maßgebliche Kopplungszone ist nur etwa 100 Nanometer groß.
Für den Praxistest nutzte das Team eine 1,2 Gramm schwere, sechs Millimeter große Quellmasse in etwa 4,2 Zentimetern Abstand zum Testkörper. Eine piezoelektrisch bewegte Halterung veränderte ihre Position periodisch. Dadurch schwankte auch die winzige Gravitationskraft auf das Pendel, deren Wirkung der optische Sensor registrierte.
Das Ergebnis: Die Wissenschaftler konnten eine Änderung der Gravitationskraft von nur 3,02 × 10⁻¹⁶ Newton nachweisen. Für die Erfassung kleinster Verschiebungen bestimmten sie eine Empfindlichkeit von 7,85 Pikometern pro Wurzel-Hertz. Diese Angabe beschreibt die Messpräzision in Abhängigkeit von der Bandbreite und nicht einfach eine einzelne beobachtete Pendelbewegung.
Bemerkenswert ist auch die Versuchsumgebung. Nach Angaben der Forscher funktioniert die optische Auslese bei Raumtemperatur und normalem Luftdruck. Anders als viele hochsensible Präzisionsaufbauten benötigt das vorgestellte Verfahren dafür weder eine Vakuumkammer noch eine aufwendige Kühlung.