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Quantenphysik im All : Kollektive Schwingungen in der Schwerelosigkeit

  • -Aktualisiert am

Der dreilagige Atomchip der MAIUS-Apparatur mit seinen goldenen Leiterbahnen ist etwa 3 x 3 Zentimeter groß. Bild: MAIUS-Projektteam/J. Matthias

Da waren deutsche Forscher etwas schneller als die Nasa: im Januar 2017 erzeugten sie erstmalig ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum, wie nun „Nature“ berichtet.

          Nicht nur Quantengase selbst sind ganz schön kalt. Manchmal wird es auch für die Forscher, die mit ihnen arbeiten, ziemlich frostig. Die Forschungsrakete des Experiments MAIUS 1 (Materiewellen-Interferometrie unter Schwerelosigkeit) war im Januar 2017 vom Raumfahrtzentrum Esrange bei Kiruna in Nordschweden gestartet, um ein ungewöhnliches Experiment durchzuführen. Nachdem die Rakete nach sechs Minuten Schwerelosigkeit per Fallschirm auf irdischen Boden zurückgesegelt war, herrschte Schneesturm, so dass die Forscher drei Tage bis zur Bergung der Apparatur warten mussten. Bei minus 36 Grad Celsius galt es zunächst, die Instrumente vorsichtig aufzutauen – und siehe da, sie funktionierten immer noch. Die robuste Technik hatte nicht nur den Raketenstart mit heftigen Vibrationen und zwölffacher Erdbeschleunigung ausgehalten, sondern auch die noch härtere Landephase und den Nachtfrost.

          Das ist durchaus beeindruckend, da dieses Experiment erstmalig ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltall erzeugen konnte. Diese eigenartige quantenphysikalische Materieform, die der indische Physiker Satyendranath Bose und Albert Einstein bereits 1924 theoretisch vorhergesagt hatten, gilt als extrem sensibel gegenüber äußeren Einwirkungen. Es dauerte bis 1995, bis sie erstmals im Labor hergestellt werden konnte, wofür 2001 der Physik-Nobelpreis verliehen wurde.

          Einem Forscherteam unter Projektleitung der Leibniz Universität Hannover ist es nun gelungen, die Technik zur Erzeugung solcher Kondensate, die üblicherweise ein ganzes Labor füllt, in die knapp drei Meter hohe und einen halben Meter durchmessende Nutzlast-Kapsel der Forschungsrakete zu packen. Zur Apparatur gehört nicht nur eine magnetooptische Falle, um die Rubidiumatome des Kondensats einzusperren, sondern auch eine komplexe Vakuum-, Kühl- und Lasertechnik, mit der sich die Atome manipulieren lassen. Innerhalb von nur zwei Sekunden kühlt die Apparatur jeweils rund eine Milliarde handwarme Rubidiumatome aus dem „Ofen“ mit Hilfe von Laser- und Verdampfungskühlung auf rund 100 milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt herunter, woraufhin die verbliebenen rund 100 000 Atome in ein Bose-Einstein-Kondensat übergehen. Während des Flugs erzeugte die automatisierte Steuerung viele solcher Kondensate in insgesamt 110 Experimenten. Die Auswertungen haben die Forscher nun in „Nature“ publiziert.

          Die Forschungsrakete mit dem Experiment MAIUS 1 an Bord startete am 23. Januar 2017 um 3.30 Uhr mitteleuropäischer Zeit vom Raumfahrtzentrum Esrange bei Kiruna in Nordschweden.

          Das Besondere an einem solchen Kondensat ist, dass sich alle Atome in einem einzigen Quantenzustand befinden. Da Atome nach der Quantenphysik zugleich Teilchen und Wellen sind, entspricht der Energie der Atome auch eine Wellenlänge. Je kälter sie sind, desto länger wird diese Wellenlänge. Bei ultratiefen Temperaturen, rund 100 milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt, erstreckt sich die Wellenlänge über die gesamte Atomwolke, woraufhin die Atome in einen einzigen kollektiven Zustand geraten. Dieser reagiert extrem sensibel auf äußere Einflüsse wie etwa die Schwerkraft. Mit solchen Kondensaten lassen sich deshalb hochpräzise Atominterferometer bauen. Herkömmliche Interferometer bestimmen die Interferenz von Lichtstrahlen, die an Spiegeln zurückgeworfen werden. Ein Atominterferometer funktioniert genau umgekehrt: Hier werden extrem kalte Atome mit Hilfe von Laserstrahlen zur Interferenz gebracht. So werden winzige Kräfte messbar.

          Die MAIUS-Nutzlast wird in der Ballon-Integrationshalle auf Esrange zusammengebaut.

          Da sich die Atome bei derartigen Versuchen im freien Fall befinden, ist die Messdauer auf der Erde begrenzt: Im notwendigen Hochvakuum fallen sie nach unten wie Backsteine. Selbst im 122-Meter-Fallturm in Bremen, wo Vorläuferversuche stattfanden, ist die Messzeit auf wenige Sekunden beschränkt. In der Schwerelosigkeit des Weltalls gilt diese Beschränkung nicht, so dass sich die Messdauer und damit auch die Präzision immens erhöhen lassen. Zwei weitere Raketenstarts sind daher im Anschluss an MAIUS 1 geplant. Die deutschen Forscher waren mit ihrem Ergebnis etwas schneller als ein Projekt der Nasa, das seit Mai dieses Jahres das Cold Atom Laboratory (CAL) auf der Internationalen Raumstation betreibt und im Juli die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats vermeldet hatte. Am CAL sind auch Wissenschaftler des Projekts MAIUS 1 beteiligt.

          In Zukunft wollen die Wissenschaftler mit solchen Kondensaten eine ganze Reihe hochempfindlicher Messungen durchführen. Zum einen könnte man damit Gravitationswellen nachweisen – vermutlich sogar in Frequenzbereichen, die mit den bislang verwendeten Laserinterferometern nicht zugänglich sind. Man kann mit satellitengestützten Bose-Einstein-Kondensaten aber auch das Schwerefeld der Erde vermessen, was für die Geodäsie sehr interessant wäre. Auch die Relativitätstheorie lässt sich so prüfen, indem die Fallgeschwindigkeiten von Bose-Einstein-Kondensaten aus verschiedenen Atomarten via Interferometrie verglichen werden. Es wäre eine gewisse Ironie der Geschichte, sollte Einsteins berühmtestes Werk ausgerechnet bei einer Überprüfung durch die sehr viel unbekannteren Bose-Einstein-Kondensate Schwächen zeigen.

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