Ein internationales Forschungsteam hat spezielle Quantengase aus zwei Atomsorten mit bislang unerreichter Ausbeute hergestellt. Möglich wurde dies durch ein extrem kompaktes Lasersystem, das Physikerinnen und Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) entwickelt haben und das künftig Experimente im Weltraum vereinfachen soll.
Bild: Sören Boles
Im Mittelpunkt der in Nature Communications veröffentlichten Studie stehen sogenannte Bose-Einstein-Kondensate. Das sind Ansammlungen von Atomen, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden, sodass alle Teilchen denselben quantenmechanischen Zustand einnehmen und sich wie eine einzige große Materiewelle verhalten. Solche Effekte lassen sich sonst nur bei einzelnen Atomen beobachten, im Kondensat werden sie großmaßstäblich messbar. Bereits 2017 gelang ein solches Kondensat erstmals im Weltraum, allerdings nur mit einer Atomsorte. Die gleichzeitige Kühlung und Steuerung von zwei Atomsorten, hier Rubidium und Kalium, stellte die Forschenden vor deutlich größere Herausforderungen, da sich der Aufwand an Lasern und Elektronik nahezu verdoppelt.
Für die Versuche nutzte das Team die MAIUS-B-Apparatur, mit der sich unter Schwerelosigkeit experimentieren lässt. Die Schwerelosigkeit entstand im Einstein-Elevator der Leibniz Universität Hannover, einem Fallturm, in dem Objekte kurzzeitig nahezu schwerelos sind, ähnlich wie im freien Fall. Die Gruppe um Professor Patrick Windpassinger und Dr. André Wenzlawski entwickelte mit der Humboldt-Universität zu Berlin und dem Ferdinand-Braun-Institut ein miniaturisiertes Lasersystem, mit dem trotz der doppelten Anzahl an Lasern sowie optischen und elektronischen Bauteilen Volumen und Masse der Apparatur kaum zunahmen. „Unsere Aufgabe war die Entwicklung der optischen Schnittstellen zwischen den Lasermodulen und dem Vakuumsystem, die für die Kühlung und Steuerung der Atome zwingend erforderlich sind", erklärt Wenzlawski. Ein zentrales Bauteil bilden optische Bänke aus der Glaskeramik Zerodur, entstanden mit der Universität Hamburg. Das Material dehnt sich bei Temperaturschwankungen kaum aus und bleibt so auch unter den Belastungen eines Raketenstarts präzise justiert. Damit erreichte die Apparatur den höchsten Teilchenfluss für eine solche Mischung und übertraf vergleichbare Systeme deutlich.
Die entwickelte Technologie gilt als wichtiger Baustein für künftige Weltraummissionen mit Quantensensoren, etwa das deutsch-amerikanische Atomlabor BECCAL auf der ISS. Mit solchen Instrumenten wollen Forschende das Äquivalenzprinzip von Albert Einstein testen, wonach unterschiedliche Materialien im freien Fall gleich schnell beschleunigt werden, und dabei eine bislang unerreichte Messgenauigkeit erzielen. Geleitet wurde das Projekt vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation in Bremen, gefördert durch die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR.