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Ein quantenphysikalischer Trick auf Basis interferometrischer Messungen ermöglicht es einem Team von LMU-Forschenden, selbst kleinste Bewegungen eines Laserstrahls äußerst empfindlich zu erfassen.
Kleinste Verschiebungen oder Verkippungen eines Laserstrahls präzise zu messen, ist in vielen wissenschaftlichen oder technischen Anwendungen wichtig, beispielsweise in Rasterkraftmikroskopen. Die sogenannte „Weak Value Amplification“ (WVA), eine Methode, die aus Überlegungen zu den Grundlagen der Quantenmechanik entstand, zeigte bereits, dass sich unter bestimmten Bedingungen das Ausgangssignal eines Interferometers deutlich ändert, wenn die Strahlen innerhalb des Interferometers nur minimal verändert werden. Ein Interferometer ist ein Messgerät, das durch Überlagerung von Lichtwellen kleinste Unterschiede messen kann.
LMU-Physikerin Carlotta Versmold und ihre Kollegen, alle Mitglieder im Exzellenzcluster MCQST, haben in Zusammenarbeit mit Forschenden der Tel Aviv University nun diese Art von Messungen ausgeweitet. Das Team entwickelte einen Trick, um auch Änderungen des Eingangsstrahls zu verstärken. Damit lassen sich deutlich genauere und bislang schwer mögliche Messungen machen, auch wenn die Störungen des Lichtstrahls weit außerhalb des Interferometers passieren. So könnte etwa ein Laserstrahl, der von einem entfernten Fenster reflektiert wird, Vibrationen des Glases aufnehmen, die durch Gespräche im Inneren des Gebäudes entstehen. So ließen sich die Gespräche im Gebäude mithören.
In üblichen Interferometern würde die Veränderung des einfallenden Lichts in beiden Armen des Instruments zu gleichen Änderungen führen – und sich im Ausgangssignal unverändert wiederfinden. Versmold und ihre Kollegen fügten ein sogenanntes Dove-Prisma in den Strahlengang eines der Arme des Interferometers ein. Diese Art von Prisma erzeugt eine zusätzliche Spiegelung, die dazu führt, dass sich eine Verschiebung des Eingangsstrahls in den beiden Wegen entgegengesetzt auswirkt und so die weit entfernte Störung effektiv in das Interferometer verlagert wird. Das Ergebnis ist eine verstärkte Verschiebung.
Carlotta Versmold maß die Verkippung und Verschiebung eines in das Interferometer einfallenden Strahls mit einer Präzision von Zehnteln eines Mikroradians bzw. Zehnteln eines Mikrometers, deutlich weniger als der Strahldurchmesser von etwa 2 Millimetern. Zur Demonstration kodierte sie Musik in die Schwingungen eines Spiegels und leitete anschließend den von diesem Spiegel reflektierten Laserstrahl in ihr Interferometer. Die Klangqualität des Signals war deutlich besser im Vergleich zu Audiosignalen, die ohne Interferometer in Licht und wieder zurück in Schall umgewandelt wurden. „Dies zeigt das Potenzial der Methode für besonders empfindliche Messungen“, sagt LMU-Physiker Harald Weinfurter, Letztautor der Studie.
Prof. Dr. Harald Weinfurter
Fakultät für Physik
Ludwig-Maximilians-Universität München
h.w@lmu.de
Carlotta Versmold
Fakultät für Physik
Ludwig-Maximilians-Universität München
carlotta.versmold@physik.uni-muenchen.de
Carlotta Versmold, Jan Dziewior, Florian Huber, Elina Köster, Gregory Reznik, Lev Vaidman, and Harald Weinfurter. Interferometric Amplification and Suppression of External Beam Shifts, Physical Review Letters, 2025.
https://doi.org/10.1103/fggq-yhz8
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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