Vom Labor in die Luft: Handtellergroße Glasbank macht Atomgravimeter mobil

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Gemeinsam mit dem Quantentechnologie-Unternehmen Nomad Atomics entwickeln
Forschende vom Fraunhofer IZM im Forschungsprojekt QuoGkA ein kompaktes
Atomgravimeter, welches zukünftig aus der Luft Gravitationsfelder messen
soll. Dafür werden die bislang laborgebundenen Messsysteme so weit
miniaturisiert, dass sie mühelos in eine Drohne passen. Essenziel für
diesen Schritt ist die am Fraunhofer IZM entwickelte hochintegrierte
Glasbank, die zentrale optische Komponenten sowie eine Rubidium-Glaszelle
vereint. Damit ermöglicht die Technologie hochpräzise Schwerkraftmessungen
außerhalb des Labors und eröffnet neue Anwendungen in Bereichen wie
Bergbau, Umweltmonitoring und Forschung.

Mit Atomgravimetern lassen sich Gravitationsfelder hochpräzise messen. Ihr
Messprinzip basiert auf der Atominterferometrie, bei der ultrakalte
Rubidiumatome als Quantensensoren dienen. Das Alkalimetall Rubidium eignet
sich besonders gut für das Verfahren, da es einen gut kontrollierbaren
Laserübergang hat, bei Raumtemperatur bereits gasförmig ist und sich
relativ einfach kühlen lässt. Bei dem Verfahren werden die Rubidiumatome
so stark abgekühlt, dass sie sich wie Wellen verhalten. Anschließend
teilen kurze Laserpulse diese „Atomwellen“, schicken sie in zwei
unterschiedliche Richtungen und führen sie dann wieder zusammen – der
gemessene Unterschied zeigt die Stärke der Schwerkraft.  Bereits kleinste
Veränderungen des Schwerefeldes liefern so Informationen über
unterirdische Strukturen und ermöglichen Anwendungen in der
Rohstofferkundung, der Wasserwirtschaft oder geophysikalischen Forschung.

Kompakte Quantensensorik für mobile Schwerkraftmessungen

Bislang sind entsprechende Systeme jedoch groß, schwer und überwiegend
laborgebunden. Kommerzielle Atomgravimeter können weit mehr als 100
Kilogramm wiegen und sind so für mobile Anwendungen eher ungeeignet. Mit
QuoGkA (»Quantensensorik durch optische Integration für Gravimetrie mit
kalten Atomen«) wollen Forschende des Fraunhofer-Institut für
Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und Projektpartner Nomad Atomics
den logistischen Aufwand massiv verringern, soweit, dass sich die
Messysteme perspektivisch sogar auf Drohnen einsetzen lassen. Dafür müssen
die optischen Systeme miniaturisiert und auf einer gemeinsamen Plattform
integriert werden - der zentrale Beitrag des Fraunhofer IZM.

Hochintegrierte Glasbank als Schlüsseltechnologie

Im Mittelpunkt der Arbeiten steht dabei die Entwicklung einer elektro-
optischen Leiterplatte, bei der optische und elektrische Funktionen auf
einer gemeinsamen Glasplattform vereint werden. Die bislang einzeln
aufgebauten optischen Komponenten werden so auf einer Fläche von rund 50
cm² vereint.

Herzstück sind im Glas integrierte Lichtwellenleiter, die das Laserlicht
präzise durch das System führen. Durch das Know-How am Fraunhofer IZM
geschieht letzteres mithilfe eines speziellen Ionenaustauschverfahrens –
einer Technologie, die weltweit nur an wenigen Forschungsinstituten und
Unternehmen beherrscht wird. Bislang wurden entsprechende Wellenleiter
insbesondere bei einer Wellenlänge von 1.550 Nanometern vor allem für
Telekommunikationsanwendungen genutzt. Fraunhofer IZM-Forschende
realisieren nun erstmalig Single-Mode-Wellenleiter mit einer
Zielwellenlänge von 780 Nanometern in einem industriellen Prozess mit
kommerziellem Dünnglas. Diese wird benötigt, um die Rubidiumatome in einer
magneto-optischen Falle auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt
abzukühlen, sodass sie nutzbar für die Atominterferometrie sind.

Als Schlüsselkomponenten verfügbar sind somit sowohl ein Multimode-
Interferenzkoppler als auch ein Evaneszenz-Koppler zur gezielten
Aufteilung der Lasersignale sowie ein 1-zu-n Schal-ter auf Basis eines vom
Startup Hyphox entwickelten elektro-optischen Polymers. Dieser ermöglicht
die elektrische Verteilung des Lasersignals auf einen von vier Kanälen.
Des Weiteren entwickeln Projektleiter Jackson Kocis und sein Team eine
Rubidium-Gaszelle aus Glas, die mittels eines Laserschweißverfahrens
gefertigt wird und neben der hermetisch abgeschlossenen Zelle bereits
optische Komponenten zur Strahlformung integriert.

Die Fraunhofer IZM-Wissenschaftler schaffen durch die Kombination dieser
Technologien eine hochintegrierte Plattform für die Quantensensorik. Dank
ihrer Expertise ist aus einem teuren und schweren Laborgerät ein
hochintegriertes und leichtes System geworden, das sich industriell
fertigen und in seiner Feldumgebung einsetzen lässt. Damit leisten sie
einen wichtigen Beitrag, hochpräzise Schwerkraftmessungen in Zukunft
flexibler und vor allem in bislang schwer zugänglichen Regionen verfügbar
zu machen.

Das Projekt QuoGkA läuft vom 01.08.2024 – 31.07.2027 und wird im Rahmen
des Förderprogramms ProFit (IBB) (Förderkennzeichen 10206866)
durchgeführt. Neben dem Fraunhofer IZM ist das Unternehmen Nomad Atomics
beteiligt.

(Text : Lotta Jahnke)