Wien – Seit die von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen 2016 erstmals nachgewiesen werden konnten, sind Wissenschafter darauf bedacht, die Empfindlichkeit ihrer Detektoren zu steigern. Eine wichtige Rolle werden dabei auch Spiegel eines österreichischen Unternehmens spielen.

Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, gibt es verschiedene Ansätze. Derzeit werden die Gravitationswellen-Detektoren LIGO (USA) und VIRGO (Italien) für ihre dritte Beobachtungskampagne vorbereitet, Anfang April sollen sie mit erhöhter Empfindlichkeit ihre Beobachtungen wieder aufnehmen.

Quantenrauschen und thermisches Rauschen

Einige Fehlerquellen kann man etwa durch eine hohe Laserleistung vermindern. Doch die Photonen haben auch einen Impuls, den sie auf die für Gravitationswellen-Observatorien verwendeten Spiegel übertragen. Diese beginnen dadurch ganz leicht zu vibrieren – die Wissenschafter sprechen von "Quantenstrahlungsdruck-Rauschen". Dieses bedeutet ein unüberwindliches Limit für eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit von Gravitationswellen-Detektoren.

Allerdings gibt es noch ein anderes Rauschen, und dagegen lässt sich etwas tun. "Die derzeit in Gravitationswellen-Detektoren verwendeten Spiegelmaterialien produzieren zusätzliches Rauschen, welches das fundamentale Quantenrauschen völlig überdeckt", sagt der Physiker Markus Aspelmeyer vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ).

Diese zusätzliche Störung wird "thermisches Rauschen" genannt und hat ihre Ursache in der Beschichtung der derzeitigen Spiegel. "Diese Beschichtung fluktuiert und man ist dadurch in der Genauigkeit der Abstandsmessung limitiert", so der Physiker.

Abhilfe

Hier kommt das von Aspelmeyer mitgegründete Unternehmen Crystalline Mirror Solutions (CMS) ins Spiel. CMS setzt auf ein völlig anderes Materialsystem, sogenannte Halbleiter-Einkristalle, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften das thermische Rauschen unterdrücken.

US-Wissenschafter haben nun gemeinsam mit Physikern der Universität Wien für eine in "Nature" veröffentlichte Studie untersucht, was das für die Messgenauigkeit bedeutet. Sie konnten nachweisen, dass es in einem für Gravitationswellen-Detektoren wichtigen Frequenzband (2-100 kHz) bei Raumtemperatur tatsächlich möglich ist, so sensitiv zu messen, dass man nur mehr durch das fundamentale Quantenrauschen limitiert ist. Sie erhoffen sich dadurch weitere Erkenntnisse, wie sich die Empfindlichkeit zukünftiger Gravitationswellen-Detektoren weiter steigern lässt. (APA, red, 28. 3. 2019)