Quetschlicht-Quellen für Gravitationswellen-Detektoren

Wir haben Quetschlichtquellen für GEO600 und Virgo entwickelt und gebaut. Wir entwickeln dieselbe Technologie auch für Gravitationswellen-Detektoren der nächsten Generation.

Die GEO600-Quetschlichtquelle

Blick in das Zentralgebäude des Gravitationswellen-Detektors GEO600. Die einzigartige Quetschlichtquelle befindet sich hier mittig am unteren Bildrand.

Im Jahr 2010 war GEO600 der erste Gravitationswellen-Detektor, der gequetschtes Licht verwendete, um das Quantenrauschen zu reduzieren. Bis heute hält GEO600 den Weltrekord in der Dauer der Anwendung und der Stärke des verwendeten gequetschten Lichts.

Die Quetschlichtquelle wurde von unserer Gruppe entwickelt und gebaut. Aktuell ist die optimale Anwendung und Einkopplung des Quetschlichts ein Thema der laufenden Forschung bei GEO600.

Die GEO600-Forschenden haben zusammen mit unserer Gruppe das stärkste Squeezing erreicht, das jemals in einem Gravitationswellen-Detektor beobachtet wurde: Sie senkten das quantenmechanische Hintergrundrauschen um den Faktor 2; das entspricht einem Quetschniveau von 6 dB.

Das Erreichen eines Quetschniveaus von 10 dB bei GEO600 wird für machbar gehalten. Das ist auch der Niveau, das für zukünftige Gravitationswellen-Detektoren wie das Einstein-Teleskop erforderlich ist.

Die Virgo-Quetschlichtquelle

Die Quetschlichtquelle für den Gravitationswellen-Detektor Virgo.

Unser Forschungsteam hat eine fortschrittliche Quetschlichtquelle für den Gravitationswellen-Detektor Virgo bei Pisa entwickelt und Anfang 2018 installiert. Das Design basiert auf dem der GEO600-Quelle.

Im dritten gemeinsamen Beobachtungslauf (O3) des internationalen Detektornetzwerks reduzierte diese Quetschlichtquelle das dominante quantenmechanische Hintergrundrauschen des Detektors um etwa ein Drittel. Dadurch kann Virgo beispielsweise Gravitationswellen von verschmelzenden Neutronensternen bis zu 26% häufiger nachweisen.

Mit der Quetschlichtquelle haben wir auch die Effekte quantenmechanischen Strahlungsdruckrauschens an den 40 kg schweren Testmassen im Gravitationswellendetektor Advanced Virgo beobachtet.

Auch für geplante Detektoren der dritten Generation wie das Einstein-Teleskop spielt der Einsatz von gequetschtem Licht eine wichtige Rolle.

Frequnenzabhängige Quetschlicht-Erzeugung bei TAMA

Der derzeitige Einsatz von gequetschten Vakuumzuständen kann das quantenmechanische Hintergrundrauschen nicht über den gesamten Frequenzbereich der Gravitationswellen-Detektoren verrringern. Eine Schrotrauschreduktion bei hohen Frequenzen führt zu einer Erhöhung des Strahlungsdruckrauschens bei niedrigen Frequenzen. Eine Rauschreduktion über einen breiteren Frequenzbereich ist möglich, indem man komplexere Quetschlichtquellen verwendet, wie beispielsweise die Reflexion des gequetschten Vakuums an einem Fabry-Perot-Resonator, dem sogenannten Filterresonator.

Die erste Demonstration dieser frequenzabhängigen Quetschlichterzeugung wurde 2020 bei TAMA mit einem 300 Meter langen Filterresonator erreicht. Ähnliche Verbesserungen sind für die großen Gravitationswellen-Detektoren geplant.

Veröffentlichungen

1.
Lough, J.; Schreiber, E.; Bergamin, F.; Grote, H.; Mehmet, M.; Vahlbruch, H.; Affeldt, C.; Brinkmann, M.; Bisht, A.; Kringel, V. et al.; Lück, H.; Mukund, N.; Nadji, S. L.; Sorazu, B.; Strain, K.; Weinert, M.; Danzmann, K.: First demonstration of 6 dB quantum noise reduction in a kilometer scale gravitational wave observatory. Physical Review Letters 126, 041102 (2021)
2.
Mehmet, M.; Vahlbruch, H.: High-efficiency squeezed light generation for gravitational wave detectors. Classical and Quantum Gravity 36 (1), 015014 (2019)
3.
Mehmet, M.; Vahlbruch, H.: The squeezed light source for the advanced virgo detector in the observation run O3. Galaxies 8 (4), 79 (2020)
4.
Virgo Collaboration; Vahlbruch, H.; Mehmet, M.; Lück, H.; Danzmann, K.; Acernese, F.; Agathos, M.; Aiello, L.; Allocca, A.; Amato, A. et al.; Ansoldi, S.; Antier, S.; Arène, M.; Arnaud, N.; Ascenzi, S.; Astone, P.; Aubin, F.; Babak, S.; Bacon, P.; Badaracco, F.; Bader, M. . .; Baird, J.; Baldaccini, F.; Ballardin, G.; Baltus, G.; Barbieri, C.; Barneo, P.; Barone, F.; Barsuglia, M.; Barta, D.; Basti, A.; Bawaj, M.; Bazzan, M.; Bejger, M.; Belahcene, I.; Bernuzzi, S.; Bersanetti, D.; Bertolini, A.; Bischi, M.; Bitossi, M.; Bizouard, M. .; Bobba, F.; Boer, M.; Bogaert, G.; Bondu, F.; Bonnand, R.; Boom, B. .; Boschi, V.; Bouffanais, Y.; Bozzi, A.; Bradaschia, C.; Branchesi, M.; Breschi, M.; Briant, T.; Brighenti, F.; Brillet, A.; Brooks, J.; Bruno, G.; Bulik, T.; Bulten, H. .; Buskulic, D.; Cagnoli, G.; Calloni, E.; Canepa, M.; Carapella, G.; Carbognani, F.; Carullo, G.; Diaz, J. C.; Casentini, C.; Castañeda, J.; Caudill, S.; Cavalier, F.; Cavalieri, R.; Cella, G.; Cerdá-Durán, P.; Cesarini, E.; Chaibi, O.; Chassande-Mottin, E.; Chiadini, F.; Chierici, R.; Chincarini, A.; Chiummo, A.; Christensen, N.; Chua, S.; Ciani, G.; Ciecielag, P.; Cieślar, M.; Ciolfi, R.; Cipriano, F.; Cirone, A.; Clesse, S.; Cleva, F.; Coccia, E.; Cohadon, P.-F.; Cohen, D.; Colpi, M.; Conti, L.; Cordero-Carrión, I.; Corezzi, S.; Corre, D.; Cortese, S.; Coulon, J.-P.; Croquette, M.; Cudell, J.-R.; Cuoco, E.; Curylo, M.; D’Angelo, B.; D’Antonio, S.; Dattilo, V.; Davier, M.; Degallaix, J.; Laurentis, M. D.; Deléglise, S.; Pozzo, W. D.; Pietri, R. D.; Rosa, R. D.; Rossi, C. D.; Dietrich, T.; Fiore, L. D.; Giorgio, C. D.; Giovanni, F. D.; Giovanni, M. D.; Girolamo, T. D.; Lieto, A. D.; Pace, S. D.; Palma, I. D.; Renzo, F. D.; Drago, M.; Ducoin, J.-G.; Durante, O.; D’Urso, D.; Eisenmann, M.; Errico, L.; Estevez, D.; Fafone, V.; Farinon, S.; Feng, F.; Fenyvesi, E.; Ferrante, I.; Fidecaro, F.; Fiori, I.; Fiorucci, D.; Fittipaldi, R.; Fiumara, V.; Flaminio, R.; Font, J. .; Fournier, J.-D.; Frasca, S.; Frasconi, F.; Frey, V.; Fronzè, G.; Garufi, F.; Gemme, G.; Genin, E.; Gennai, A.; Ghosh, A.; Giacomazzo, B.; Gosselin, M.; Gouaty, R.; Grado, A.; Granata, M.; Greco, G.; Grignani, G.; Grimaldi, A.; Grimm, S. .; Gruning, P.; Guidi, G. .; Guixé, G.; Guo, Y.; Gupta, P.; Halim, O.; Harder, T.; Harms, J.; Heidmann, A.; Heitmann, H.; Hello, P.; Hemming, G.; Hennes, E.; Hinderer, T.; Hofman, D.; Huet, D.; Hui, V.; Idzkowski, B.; Iess, A.; Intini, G.; Isac, J.-M.; Jacqmin, T.; Jaranowski, P.; Jonker, R. . .; Katsanevas, S.; Kéfélian, F.; Khan, I.; Khetan, N.; Koekoek, G.; Koley, S.; Królak, A.; Kutynia, A.; Laghi, D.; Lamberts, A.; La Rosa, I.; Lartaux-Vollard, A.; Lazzaro, C.; Leaci, P.; Leroy, N.; Letendre, N.; Linde, F.; Llorens-Monteagudo, M.; Longo, A.; Lorenzini, M.; Loriette, V.; Losurdo, G.; Lumaca, D.; Macquet, A.; Majorana, E.; Maksimovic, I.; Man, N.; Mangano, V.; Mantovani, M.; Mapelli, M.; Marchesoni, F.; Marion, F.; Marquina, A.; Marsat, S.; Martelli, F.; Martinez, V.; Masserot, A.; Mastrogiovanni, S.; Villa, E. M.; Mereni, L.; Merzougui, M.; Metzdorff, R.; Miani, A.; Michel, C.; Milano, L.; Miller, A.; Milotti, E.; Minazzoli, O.; Minenkov, Y.; Montani, M.; Morawski, F.; Mours, B.; Muciaccia, F.; Nagar, A.; Nardecchia, I.; Naticchioni, L.; Neilson, J.; Nelemans, G.; Nguyen, C.; Nichols, D.; Nissanke, S.; Nocera, F.; Oganesyan, G.; Olivetto, C.; Pagano, G.; Pagliaroli, G.; Palomba, C.; Pang, P. . .; Pannarale, F.; Paoletti, F.; Paoli, A.; Pascucci, D.; Pasqualetti, A.; Passaquieti, R.; Passuello, D.; Patricelli, B.; Perego, A.; Pegoraro, M.; Périgois, C.; Perreca, A.; Perriès, S.; Phukon, K. .; Piccinni, O. .; Pichot, M.; Piendibene, M.; Piergiovanni, F.; Pierro, V.; Pillant, G.; Pinard, L.; Pinto, I. .; Piotrzkowski, K.; Plastino, W.; Poggiani, R.; Popolizio, P.; Porter, E. .; Prevedelli, M.; Principe, M.; Prodi, G. .; Punturo, M.; Puppo, P.; Raaijmakers, G.; Radulesco, N.; Rapagnani, P.; Razzano, M.; Regimbau, T.; Rei, L.; Rettegno, P.; Ricci, F.; Riemenschneider, G.; Robinet, F.; Rocchi, A.; Rolland, L.; Romanelli, M.; Romano, R.; Rosińska, D.; Ruggi, P.; Salafia, O. .; Salconi, L.; Samajdar, A.; Sanchis-Gual, N.; Santos, E.; Sassolas, B.; Sauter, O.; Sayah, S.; Sentenac, D.; Sequino, V.; Sharma, A.; Sieniawska, M.; Singh, N.; Singhal, A.; Sipala, V.; Sordini, V.; Sorrentino, F.; Spera, M.; Stachie, C.; Steer, D. .; Stratta, G.; Sur, A.; Swinkels, B. .; Tacca, M.; Tanasijczuk, A. .; Martin, E. . T. S.; Tiwari, S.; Tonelli, M.; Torres-Forne, A.; Melo, I. T. e.; Travasso, F.; Tringali, M. .; Trovato, A.; Tsang, K. .; Turconi, M.; Valentini, M.; van Bakel, N.; van Beuzekom, M.; van den Brand, J. . .; Broeck, C. V. D.; van der Schaaf, L.; Vardaro, M.; Vasúth, M.; Vedovato, G.; Verkindt, D.; Vetrano, F.; Viceré, A.; Vinet, J.-Y.; Vocca, H.; Walet, R.; Was, M.; Zadrożny, A.; Zelenova, T.; Zendri, J.-P.: Increasing the Astrophysical Reach of the Advanced Virgo Detector via the Application of Squeezed Vacuum States of Light. Physical Review Letters 123 (23), 231108 (2019)
5.
Acernese, F.; Mehmet, M.; Lück, H.; Vahlbruch, H.; Danzmann, K.; Agathos, M.; Aiello, L.; Ain, A.; Allocca, A.; Amato, A. et al.; Ansoldi, S.; Antier, S.; Ar`ene, M.; Arnaud, N.; Ascenzi, S.; Astone, P.; Aubin, F.; Babak, S.; Badaracco, F.; Bader, M. K. M.; Bagnasco, S.; Baird, J.; Ballardin, G.; Baltus, G.; Barbieri, C.; Barneo, P.; Barone, F.; Barsuglia, M.; Barta, D.; Basti, A.; Bawaj, M.; Bazzan, M.; Bejger, M.; Belahcene, I.; Bernuzzi, S.; Bersanetti, D.; Bertolini, A.; Bischi, M.; Bitossi, M.; Bizouard, M.-A.; Blanch, O.; Bobba, F.; Boer, M.; Bogaert, G.; Boldrini, M.; Bondu, F.; Bonnand, R.; Boom, B. A.; Boschi, V.; Boudart, V.; Bouffanais, Y.; Bozzi, A.; Bradaschia, C.; Branchesi, M.; Breschi, M.; Briant, T.; Brighenti, F.; Brillet, A.; Brooks, J.; Bruno, G.; Bulik, T.; Bulten, H. J.; Buskulic, D.; Cagnoli, G.; Calloni, E.; Canepa, M.; Carapella, G.; Carbognani, F.; Carpinelli, M.; Carullo, G.; Diaz, J. C.; Casentini, C.; Caudill, S.; Cavalier, F.; Cavalieri, R.; Cella, G.; Cerdá-Durán, P.; Cesarini, E.; Chaibi, W.; Chanial, P.; Chassande-Mottin, E.; Chiadini, F.; Chierici, R.; Chincarini, A.; Chiummo, A.; Christensen, N.; Chua, S.; Ciani, G.; Ciecielag, P.; Cieślar, M.; Cifaldi, M.; Ciolfi, R.; Cipriano, F.; Cirone, A.; Clesse, S.; Cleva, F.; Coccia, E.; Cohadon, P.-F.; Cohen, D. E.; Colpi, M.; Conti, L.; Cordero-Carrión, I.; Corezzi, S.; Corre, D.; Cortese, S.; Coulon, J.-P.; Croquette, M.; Cudell, J. R.; Cuoco, E.; Curylo, M.; D’Angelo, B.; D’Antonio, S.; D’Onofrio, L.; D’Urso, D.; Canton, T. D.; Dattilo, V.; Davier, M.; Laurentis, M. D.; Matteis, F. D.; Pietri, R. D.; Rosa, R. D.; Rossi, C. D.; Degallaix, J.; Pozzo, W. D.; ́eglise, S. D.; Depasse, A.; Fiore, L. D.; Giorgio, C. D.; Giovanni, F. D.; Giovanni, M. D.; Girolamo, T. D.; Lieto, A. D.; Pace, S. D.; Palma, I. D.; Renzo, F. D.; Dietrich, T.; Drago, M.; Ducoin, J.-G.; Durante, O.; Duverne, P.-A.; Eisenmann, M.; Errico, L.; Estevez, D.; Fafone, V.; Farinon, S.; Fays, M.; Feng, F.; Fenyvesi, E.; Ferrante, I.; Fidecaro, F.; Figura, P.; Fiori, I.; Fiorucci, D.; Fittipaldi, R.; Fiumara, V.; Flaminio, R.; Font, J. A.; Fournier, J.-D.; Frasca, S.; Frasconi, F.; Frey, V.; ́e, G. G. F.; Gamba, R.; Garaventa, B.; Garufi, F.; Gemme, G.; Gennai, A.; Ghosh, A.; Giacomazzo, B.; Giacoppo, L.; Giri, P.; Gosselin, M.; Gouaty, R.; Grado, A.; Granata, M.; Granata, V.; Greco, G.; Grignani, G.; Grimaldi, A.; Grimm, S. J.; Gruning, P.; Guidi, G. M.; ́e, G. G.; Guo, Y.; Gupta, P.; Haegel, L.; Halim, O.; Hannuksela, O.; Harder, T.; Haris, K.; Harms, J.; Heidmann, A.; Heitmann, H.; Hello, P.; Hemming, G.; Hennes, E.; Hofman, D.; Hui, V.; Idzkowski, B.; Iess, A.; Intini, G.; Jacqmin, T.; Janssens, K.; Jaranowski, P.; Jonker, R. J. G.; Karathanasis, C.; Katsanevas, S.; ́elian, F. K. ́.; Khan, I.; Khetan, N.; Koekoek, G.; Koley, S.; Kolstein, M.; Królak, A.; La Rosa, I.; Laghi, D.; Lamberts, A.; Lartaux-Vollard, A.; Lazzaro, C.; Leaci, P.; Leroy, N.; Letendre, N.; Linde, F.; Llorens-Monteagudo, M.; Longo, A.; Lorenzini, M.; Loriette, V.; Losurdo, G.; Lumaca, D.; Macquet, A.; Magazzù, C.; Majorana, E.; Maksimovic, I.; Man, N.; Mangano, V.; Mantovani, M.; Mapelli, M.; Marchesoni, F.; Marion, F.; Marquina, A.; Marsat, S.; Martelli, F.; Martinez, M.; Martinez, V.; Masserot, A.; Mastrogiovanni, S.; Menendez-Vazquez, A.; Mereni, L.; Merzougui, M.; Metzdorff, R.; Miani, A.; Michel, C.; Milano, L.; Miller, A.; Milotti, E.; Minazzoli, O.; Minenkov, Y.; Mir, L. M.; Montani, M.; Morawski, F.; Mours, B.; Muciaccia, F.; Nagar, A.; Nardecchia, I.; Naticchioni, L.; Neilson, J.; Nelemans, G.; Nguyen, C.; Nissanke, S.; Nocera, F.; Oganesyan, G.; Olivetto, C.; Pagano, G.; Pagliaroli, G.; Palomba, C.; Pang, T. H.; Pannarale, F.; Paoletti, F.; Paoli, A.; Paolone, A.; Pascucci, D.; Pasqualetti, A.; Passaquieti, R.; Passuello, D.; Patricelli, B.; Pegoraro, M.; Perego, A.; ́erigois, C. P.; Perreca, A.; Perri`es, S.; Phukon, K. S.; Piccinni, O. J.; Pichot, M.; Piendibene, M.; Piergiovanni, F.; Pierini, L.; Pierro, V.; Pillant, G.; Pilo, F.; Pinard, L.; Pinto, I. M.; Piotrzkowski, K.; Placidi, E.; Plastino, W.; Poggiani, R.; Polini, E.; Popolizio, P.; Porter, E. K.; Pracchia, M.; Principe, M.; Prodi, G. A.; Prosposito, P.; Puecher, A.; Punturo, M.; Puosi, F.; Puppo, P.; Raaijmakers, G.; Radulesco, N.; Rapagnani, P.; Razzano, M.; Regimbau, T.; Rei, L.; Rettegno, P.; Ricci, F.; Riemenschneider, G.; Robinet, F.; Rocchi, A.; Rolland, L.; Romanelli, M.; Romano, R.; Romero, A.; Ronchini, S.; Rosińska, D.; Ruggi, P.; Salafia, O. S.; Salconi, L.; Samajdar, A.; Sanchis-Gual, N.; Santos, E.; Sassolas, B.; Sauter, O.; Sayah, S.; Seglar-Arroyo, M.; Sentenac, D.; Sequino, V.; Sharma, A.; Sieniawska, M.; Singh, N.; Singhal, A.; Sipala, V.; Sordini, V.; Sorrentino, F.; Sorrentino, N.; Soulard, R.; Spera, M.; Stachie, C.; Steer, D. A.; Stratta, G.; Sur, A.; Swinkels, B. L.; Tacca, M.; Tanasijczuk, A. J.; Tapia San Martin, E. N.; Tonelli, M.; ́Torres-Forne, A.; Tosta e Melo, I.; Trapananti, A.; Travasso, F.; Tringali, M. C.; Trovato, A.; Tsang, K. W.; Turconi, M.; Valentini, M.; van Bakel, N.; van Beuzekom, M.; van den Brand, J. F. J.; Broeck, C. V. D.; van der Schaaf, L.; Vardaro, M.; Vasúth, M.; Vedovato, G.; Verkindt, D.; Vetrano, F.; ́Vicere, A.; Vinet, J.-Y.; Vocca, H.; Walet, R. C.; Was, M.; Zadrożny, A.; Zelenova, T.; Zendri, J.-P.: Quantum Backaction on Kg-Scale Mirrors: Observation of Radiation Pressure Noise in the Advanced Virgo Detector. Physical Review Letters 125 (13), 131101 (2020)
6.
Zhao, Y.; Aritomi, N.; Capocasa, E.; Leonardi, M.; Eisenmann, M.; Guo, Y.; Polini, E.; Tomura, A.; Arai, K.; Aso, Y. et al.; Huang, Y.-C.; Lee, R.-K.; Lück, H.; Miyakawa, O.; Prat, P.; Shoda, A.; Tacca, M.; Takahashi, R.; Vahlbruch, H.; Vardaro, M.; Wu, C.-M.; Barsuglia, M.; Flaminio, R.: Frequency-Dependent Squeezed Vacuum Source for Broadband Quantum Noise Reduction in Advanced Gravitational-Wave Detectors. Physical Review Letters 124, 171101 (2020)
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