Eine Reihe fundamentaler Problemstellungen setzt die genaue Kenntnis der Erdbeschleunigung g voraus, z.B. die Neudefinition des Kilogramms im laufenden Watt-Waage-Projekt. Des Weiteren sind Gravitationsmessungen ein herausragendes Werkzeug der geophysikalischen Forschung, machen sie doch Phänomene vom oberen Erdreich bis hinab in den Erdkern zugänglich. Für Absolutmessungen geeignete Quanten-Sensoren mit höchster Präzision sind deshalb Gegenstand aktueller Entwicklungen. Diese Arbeit beschreibt die Planung und Implementierung eines solchen Sensors, der für eine überlegene absolute Genauigkeit von fünf Teilen in 10^10, zu erreichen in Messungen von 24 h, ausgelegt ist. Ein Merkmal, das dieses Instrument vor früheren Entwicklungen auszeichnet, ist seine Mobilität, die Anwendungen im Feld sowie Vergleichsmessungen mit anderen Gravimetern ermöglicht. Die quantenmechanische Wellennatur von (Rubidium-) Atomen wird genutzt, um durch kohärente Teilung, Reflexion und Wiedervereinigung der sie konstituierenden Wellenpakete mit Hilfe von Lichtpulsen ein Materiewelleninterferometer darzustellen. Auf ein Ensemble lasergekühlter Atome im freien Fall angewandt, kann deren Empfindlichkeit auf Inertialkräfte genutzt werden, um hochsensible Messungen der auftretenden Beschleunigungen zu erreichen. Eine Messpräzision von 160 nm s^(-2) / sqrt(Hz) wird demonstriert, die ausreicht, um g in 15 h mit einer statistischen Ungewissheit von 0.8 nm s^(-2) zu bestimmen; dies ist um einen Faktor acht besser, als mit den besten klassischen Absolutgravimetern üblich. Ein Vergleich mit dem Deutschen Schweregrundnetz ergibt eine Abweichung von 260 nm s^(-2) bei einer Ungewissheit von 520 nm s^(-2) in den systematischen Einflüssen. Deren wahrscheinliche Ursachen sowie geeignete Gegenmaßnahmen werden identifiziert. / Precise measurements of Earth''s gravitational acceleration $g$ are important for a range of fundamental problems - e.g. the Watt balance as an approach for a new definition of the kilogram - and a great tool to investigate geophysical phenomena reaching from the topmost layers of soil to the very core of our planet. Recently, research efforts have been made to develop dedicated quantum sensors capable of such measurements with very high precision and accuracy. This thesis describes the design and implementation of such a sensor, aiming at a superior accuracy of 0.5 ppb, resolvable in measurements of 24 h. A feature distinguishing this device from previous work is its mobility, allowing for comparison with other state-of-the-art instruments, and for applications in field use in various locations. Rubidium atoms are laser-cooled and launched on a free-fall trajectory. Exploiting the wave nature of quantum particles, coherent manipulation with light pulses is used to split, reflect and recombine the atoms'' wave-packets. The resulting matter-wave interferometer is highly susceptible to inertial forces and allows for sensitive measurements of accelerations. Inertial sensing with a precision of 160 nm s^(-2) / sqrt(Hz) was demonstrated, resulting in a measurement of g with a statistical uncertainty of 0.8 nm s^(-2) in 15 h, surpassing a conventional state-of-the-art absolute gravimeter by a factor of eight. Comparison with the German gravity reference net revealed a discrepancy of 260 nm s^(-2), well covered by the combined systematic uncertainties of 520 nm s^(-2). Likely causes for this deviation are identified and suitable countermeasures are proposed.

Im Jahr 1991 wurde erstmals die Interferenz von Atomen experimentell nachgewiesen. Seitdem wird dieses Phänomen in vielen Bereichen der Grundlagenforschung angewendet, unter anderem zur Bestimmung von Naturkonstanten mit bisher unerreichter Genauigkeit oder für Tests des Äquivalenzprinzips. Grundsätzlich können auch geophysikalische Vermessungen des Schwerefeldes der Erde von dieser neuen Technik profitieren, allerdings waren Atominterferometrie-Experimente aufgrund ihrer Komplexität bisher nur in Laboren möglich. Erst kürzlich wurde mit der Entwicklung mobiler Atominterferometer begonnen, die nun die hochpräzise Messung von Rotationen, Gravitationsgradienten sowie der absoluten Schwerebeschleunigung außerhalb von Laboren ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein absolutes Gravimeter entwickelt, konstruiert und getestet. Es basiert auf Rb87-Atomen, die in einer Vakuumumgebung gefangen, gekühlt und senkrecht entgegen der Erdanziehung beschleunigt werden. Während des anschließenden freien Falls werden die atomaren Ensembles durch drei Raman Lichtpulse aufgespalten und rekombiniert. Die lokale Schwerebeschleunigung kann aus den resultierenden Interferenzmustern bestimmt werden, die abhängig von der Bewegung der Atome in einem Gravitationspotential sind. Wir haben den Wert der lokalen Schwerebeschleunigung, g, mit einer Auflösung von 1 : 10^10 bei einer Integrationszeit von 12 Stunden vermessen. Dies entspricht 2,2 * 10^-7 m/s^2/Sqrt(Hz). Mit dieser Genauigkeit konnten bereits zeitliche Veränderungen des lokalen Schwerefeldes registriert werden, hervorgerufen durch eine Vielzahl an Effekten wie Erd- und Ozeangezeiten oder atmosphärischen Variationen. In einem Vergleich unter ähnlichen Messbedingungen konnte unser Instrument die lokale Schwerebeschleunigung mit einer um fast eine Größenordnung höheren Genauigkeit bestimmen als ein herkömmliches Gravimeter. / Since 1991, matter wave interferometry has been used in many laboratories for a variety of fundamental physics experiments, e.g. measurement of the fine-structure and gravity constants or equivalence principle tests. This new technique is also ideally suited for high-accuracy geophysical gravity measurements. However, due to the complexity of these experiments they were so far confined to laboratory environments. Only in recent years efforts have been undertaken to develop mobile atom interferometers. These new sensors now open up the possibility to perform on-site high-precision measurements of rotations, gravity gradients as well as absolute accelerations. This work reports on the design, construction and first tests of an absolute gravimeter. It is based on interfering ensembles of laser cooled Rb87 atoms in a one meter high atomic fountain configuration. Local gravity is measured by applying three Raman light pulses while the atoms are in free fall, thereby splitting and recombining the atomic wave packets. The resulting interference fringes are sensitive to the movement of the atoms within a gravitational potential. We have measured the value of local gravity g at a resolution of one part in 10^10 at an integration time of 12 hours, or 2.2 * 10^-7 m/s^2/Sqrt(Hz). This was high enough to be sensitive to a number of time varying gravity effects like tides, ocean loading or changes in gravity caused by air pressure. In a comparison under similar measurement conditions, the instrument has surpassed the performance of conventional mobile gravimeters by almost one order of magnitude.

Das gravimetrische Atominterferometer (GAIN) ist ein transportables Atominterferometer welches spezifisch für hochpräzise Schweremessungen in der Geodäsie und Geophysik entwickelt wurde. Es basiert auf einer Rubidium Atomfontäne, stimulierten Ramanübergängen und einer 3-Puls Mach-Zehnder Interferometriesequenz. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung und Anwendung von GAIN als transportables Gravimeter für Absolutschweremessungen an geodätischen Observatorien welche über den aktuellen Stand der Technik hinaus gehen. Dabei wurden eine Absolutgenauigkiet von 29 nm/s^2, eine Langzeitstabilität von 0.4 nm/s^2 sowie eine Sensitivität von 82 nm/s^2 in einer Sekunde erreicht. Die gemessene Genauigkeit und Langzeitstabilität stellen, nach dem Wissen des Authors, die bis heute besten publizierten Werte für ein transportablen Atominterferometer dar und repräsentieren einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Gravimetrie. Um dies zu erreichen wurden umfangreiche Verbesserungen am Gerät umgesetzt und eine ausführliche Analyse der systematischen Messabweichungen durchgeführt. Unter anderem wurden ein System zur Kompensation von Corioliskräften und Ausrichtungsfehlern, ein verbessertes Schwingungsisolationssystem zur nachträglichen Korrektur von Umgebungsvibrationen und eine magnetische Abschirmung instrumenteller Streufelder implementiert. Darüber hinaus wurden insgesamt vier Messkampagnen in Berlin, sowie an den geodätischen Observatorien in Wettzell, Deutschland und Onsala, Schweden durchgeführt, um GAIN mit anderen hochmodernen Absolut- und Relativgravimetern zu vergleichen. Der direkte Vergleich zwischen GAIN und anderen Gravimetern stellt den prinzipbedingten Vorteil der Atominterferometrie durch die Kombination aus Absolutgenauigkeit, Stabilität und Langzeitbetrieb klar hervor. Dies wurde in der Arbeit durch die um einen Faktor 2-5 verbesserte Kalibrierung des Skalenfaktor von zwei supraleitenden Gravimetern demonstriert. / The gravimetric atom interferometer (GAIN) is a transportable setup which was specifically designed to perform high-precision gravity measurements at sites of interest for geodesy or geophysics. It is based on a Rb atomic fountain, stimulated Raman transitions and a three-pulse Mach-Zehnder atom interferometry sequence. The presented work is concerned with the optimization and application of GAIN as a transportable gravimeter in order to perform gravity measurements beyond the state-of-the-art. An absolute accuracy of 29 nm/s^2, long-term stability of 0.4 nm/s^2 and short-term noise level as low as 82 nm/s^2 in one second was achieved. The obtained long-term stability and accuracy values are, to the knowledge of the author, the best published performance of any transportable atom interferometer to date and represent a significant advancement in the field of gravimetry. A comprehensive analysis of the systematic error budget was performed to improve the accuracy and stability of the measured gravity value. Several setup improvements were implemented to this end, including Coriolis force and alignment control systems, an improved vibration isolator with post-correction and magnetic shielding which reduces spurious coupling due to stray fields. Measurement campaigns were conducted in Berlin and at geodetic observatories in Wettzell, Germany, and Onsala, Sweden, in order to compare GAIN to other state-of-the-art absolute and relative gravimeters. The direct comparison of GAIN to other absolute and relative gravimeters shows the general advantage of atom interferometers due to their unique combination of absolute accuracy, stability and robust architecture enabling continuous measurements. This was demonstrated during the presented campaigns by the improvement of the scale factor calibration of two superconducting gravimeters by a factor 2 to 5 using GAIN data.

Quantensensoren, wie Atominterferometer und Atomuhren werden zu hochpräzisen und akkuraten Messungen von Inertialkräften und der Zeit benutzt und sind hervorragend dazu geeignet fundamentale Fragestellungen der Physik anzugehen und die Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen. Die Empfindlichkeit von Atominterferometern skaliert quadratisch mit der freien Entwicklungszeit und die Verwendung von Quantensensoren im Weltraum ist prädestiniert die Genauigkeit von Tests des Äquivalenzprinzips um mehrere Größenordnungen zu verbessern. Zusätzlich, werden präzise und akkurate Sensoren für Inertialkräfte, im Bereich der Navigation oder Geodäsie benutzt wo mobile auf Atominterferometrie basierende Geräte noch selten sind. Diese Arbeit trägt zur Entwicklung von hochempfindlichen und stabilen mobilen Quantensensoren bei. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden drei mobile Vergleichsmessungen der Erdbeschleunigung mit dem Atominterferometer GAIN an verschiedenen geographischen Orten durchgeführt. Die demonstrierte Stabilität von 5*10^-11 g nach 10^5 s übertrifft die Stabilität von klassischen Gravimetern. Mit dem Ziel von Weltraumgestützten Atominterferometern wurde ein kompaktes Lasersystem für den Betrieb von Atominterferometrie mit Rubidium Bose-Einstein Kondensaten auf Höhenforschungsraketen entworfen, qualifiziert und in Betrieb genommen. Zusätzlich wurden drei Nutzlasten für dein Einsatz auf Höhenforschungsraketen realisiert um die Reife der notwenigen Subsysteme zu zeigen. Dopplerfreie Laserspektroskopie an Rubidium und Kalium wurde verwendet um eine optische Frequenzreferenz zu realisieren und während der Flüge wurde mit einem Frequenzkamm zu vergleichen. Diese Messung stellt einen ersten Test der Lokalen Lorenz Invarianz im Weltraum dar. Diese Aktivitäten ebnen den Weg für den zukünftigen Einsatz von Quantensensoren im Weltraum die noch nie dagewesene Tests der fundamentalen Physik, Weltraumgeodäsie oder sogar Gravitationswellen ermöglichen. / Quantum sensors, such as atom interferometers and atomic clocks are used for high precision and accurate measurements of inertial forces and time and are therefore ideally suited to address fundamental questions in physics and to test the predictions of general relativity. The sensitivity of atom interferometers scales quadratically with the free evolution time and the use of quantum sensors in space is predestined to improve the accuracy of such tests by several orders of magnitude. Additionally, precise and accurate sensors for inertial forces are required in the field of navigation or geodesy where mobile devices based on atom interferometry are still rare. This work contributes to the development of highly sensitive and stable mobile quantum sensors. In the course of this thesis, three measurement comparisons of the gravitational acceleration with the mobile atom interferometer GAIN were performed at different geographic locations. The demonstrated stability of 5*10^-11 g after 10^5 s surpasses the one reached by classical gravimeters. With the goal of space-born atom interferometry, a compact laser system for operation of atom interferometry with Bose-Einstein condensates of rubidium on a sounding rocket was designed, qualified and put in operation. Additionally, three sounding rocket payloads were realized to show the technological maturity of the necessary subsystems. Doppler-free laser spectroscopy of rubidium and potassium was used to realize an optical frequency reference that was compared during the flights to an atomic microwave standard via a frequency comb. This measurement represents the first test of the Local Position Invariance in space. These activities pave the way for future deployment of quantum sensors in space enabling unprecedented tests of fundamental physics, space geodesy or even gravitational wave detection.