DFG-NSF: Neuartige verlustarme Beschichtungen - Ermöglichung der dritten Generation von Gravitationswellendetektoren

• Antragsteller: Professor Dr. Roman Schnabel, seit 9/2019
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399440421

Vor einhundert Jahren hat Einstein die Existenz von Gravitationswellen vorhergesagt, bei denen es sich um Wellen in der Krümmung der Raum-Zeit handelt. Am 14. September 2015 haben die Detektoren des Advanced LIGO Projekts die erste Gravitationswelle detektieren können.Dies war ein bahnbrechnedes Ereignis für die Grundlagenphysik: Zum allererstem mal wurde beobachtet, wie ein Binärsystem aus schwarzen Löchern zu einem einzigen schwarzen Loch verschmolzen ist. Zudem hat sich uns ein neues Fenster ins Universum eröffnet, das uns ermöglicht dessen Gravitationsmerkmale zu 'hören' und zuvor verborgene Objekte zu enthüllen.Ein erfolgreicher Verlauf dieses Projekts würde es uns erlauben die gewünschte Empfindlichkeit der nächsten Generation von Gravitationswellendetektoren zu erreichen und neue Entdeckungen in der Gravitationswellenastronomie ermöglichen, wie z.B. die Detektion von Gravitationswellensignalen aus neuen Quellen, eine Erhöhung der Detektionsrate für Populationsstudien von Quellen, und das Messen von Signalen schwächerer und weiter entfernter Quellen.Interferometrische Gravitationswellendetektoren basieren auf aufgehängten Spiegeln, zwischen denen eine Gravitationswelle Abstandsänderungen von weniger als 1e-19 m verursacht. Diese Änderung ist so gering, dass thermische Vibrationen der Spiegel und ihrer Beschichtungen, sogenanntes Braun'sches Rauschen, die Empfindlichkeit gegenwärtiger und zukünftiger Detektoren limitieren wird - in deren empfindlichstem Frequenzbereich, in welchem die Detektion vieler interessanter Quellen wie z.B. verschmelzender Neutronensterne und rotierender Pulsare erwartet wird.In diesem Projekt werden wir neue Materialien mit niedrigem thermischen Rauschen entwickeln, was das Verstehen atomarer Prozesse in den Materialien beinhaltet, mit dem Ziel, die Empfindlichkeit interferometrischer Gravitationswellendetektoren zu erhöhen.Thermisches Rauschen in hochreflektierenden Spiegelbeschichtungen ist direkt proportional zur Dicke der Beschichtung, dem mechanischen Verlust des Materials sowie zur Temperatur des Spiegels. Um das thermische Rauschen der Beschichtungen deutlich zu reduzieren, werden zukünftige Gravitationswellendetektoren bei kryogenen Temperaturen betrieben. Kryogene Detektoren erfordern eine niedrige optische Absorption um einen Wärmeeintrag durch den Laserstrahl zu minimieren und um somit die niedrige Betriebstemperatur zu halten.Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung von hochreflektierenden Vielschichtsystemen basierend auf Untersuchungen der Beschichtungseingenschaften, -zusammensetzung und -struktur, um die hohen Anforderungen an Absorption, Reflektivität und Mechanischen Verlust zu erfüllen.Während sich dieser Antrag hauptsächlich auf zukünftige kryogene Detektoren konzentriert, ist die Reduzierung von thermischem Rauschen für Upgrades gegenwärtiger Detektoren (wie z.B. Andwanved LIGO und VIRGO) ebenfalls Gegenstand der geplanten Forschung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien, USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Martin Fejer; Dr. Iain Martin; Professor Dr. Stuart Reid
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Jessica Steinlechner, bis 8/2019