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Erstes Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt

Physiker schaffen Grundlagen für präzisen Test des Einstein’schen Äquivalenzprinzips – Aktuelle Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Nature

Einem Wissenschaftlerteam aus Deutschland ist es gelungen, an Bord einer Forschungsrakete erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum zu erzeugen. Die MAIUS-I-Mission war am 23. Januar 2017 um 3:30 Uhr mitteleuropäischer Zeit vom schwedischen Weltraumbahnhof Esrange ins Weltall gestartet. Nach ausführlicher Analyse wurden die Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Das Bose-Einstein-Kondensat, ein ultrakaltes Gas, dient als Ausgangszustand für wichtige Messungen in der Schwerelosigkeit. Während des circa 15-minütigen Flugs der Rakete konnten die beteiligten Forscher ungefähr 100 Experimente zur Erzeugung und Charakterisierung des Bose-Einstein-Kondensats und zu seiner Eignung als Quelle für hochpräzise Interferometrie durchführen.

Ultrakalte Quantengase bilden den Ausgangspunkt, um eine Vielzahl von quantentechnologischen Experimenten zu realisieren. Wissenschaftler können damit etwa das Schwerefeld der Erde vermessen, Gravitationswellen aufspüren oder das Einstein’sche Äquivalenzprinzip einem hochpräzisen Test unterziehen. Da die Genauigkeit dieser Experimente in der Regel durch die Beobachtungszeit der ultrakalten Atome begrenzt ist, verspricht die Durchführung im Weltraum eine deutliche Steigerung der Sensitivität dieser Messungen, da die Beobachtungszeiten nicht mehr durch die Fallbeschleunigung auf der Erde limitiert sind.

Ein von der Leibniz Universität Hannover geleitetes Team von Wissenschaftlern aus elf verschiedenen deutschen Universitäten und Forschungsinstituten, darunter eine Gruppe um Prof. Dr. Patrick Windpassinger vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), entwickelte und baute die wissenschaftliche Nutzlast für den Weltraumflug der Rakete MAIUS-1 und führte die Messungen durch. „Die erfolgreiche MAIUS-Mission liefert nicht nur den Beweis, dass die von uns entwickelte Lasersystemtechnologie in extremen Umgebungen außerhalb von Laboren äußert zuverlässig funktioniert. Sie zeigt zudem, dass Quantentechnologien, wie sie zum Beispiel auch im Rahmen von BMBF-Initiativen und dem EU-Quanten-Flagship vorangetrieben werden, bereits jetzt einen sehr hohen technologischen Reifegrad erreicht haben“, kommentiert Patrick Windpassinger die Mission.

Bei den Experimenten wird ein atomares Gas, im vorliegenden Fall Rubidium-Atome, durch die Einstrahlung von Laserlicht und durch Magnetfelder gefangen und auf Temperaturen von wenigen Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt. Dies ermöglichte, dass das Kondensat über mehrere hundert Millisekunden beobachtet und für Messungen verwendet werden konnte. Der absolute Nullpunkt liegt bei etwa minus 273,15 Grad Celsius.

Erzeugung von ultrakalten Atomen ist gut reproduzierbar

In der Nature-Veröffentlichung wird gezeigt, dass sowohl die Erzeugung als auch der Transport der Atome mit einer sehr hohen Reproduzierbarkeit möglich ist. Speziell die Bewegungen der Atome in der durch Magnetfelder gebildeten Falle, erzeugt durch einen sogenannten Atomchip, lassen sich sehr gut vorhersehen. Somit könnten diese Bewegungen sogar für fortgeschrittenere Kühltechniken verwendet werden.

„Damit sollen in zukünftigen Missionen noch tiefere Temperaturen von bis zu einigen Billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt oder sogar noch tiefer erreicht werden“, sagt Dr. André Wenzlawski aus der Arbeitsgruppe von Windpassinger zu dem Ergebnis. Bei diesen extrem kalten Temperaturen wird die Geschwindigkeit der Atome stark verlangsamt. Sie können in zukünftigen Missionen während mehreren Sekunden beobachtet werden und es können Präzisionsmessungen mit Genauigkeiten durchgeführt werden, die auf der Erde nicht möglich sind.

Das Forscherteam hat damit die grundlegenden Schritte für die Durchführung von Experimenten zur Vermessung des Schwerefeldes der Erde, zur Gravitationswellendetektion oder für einen Test des Einstein’schen Äquivalenzprinzips demonstriert.

Folgemissionen MAIUS-2 und MAIUS-3 bereits in Planung

Speziell die letztgenannte Anwendung soll in weiteren Folgemissionen, MAIUS-2 und MAIUS-3, vom Team weiter verfolgt werden. Für 2020 und 2021 sind zwei weitere Raketenstarts geplant, in denen neben ultrakalten Rubidium-Atomen auch Kalium-Atome untersucht werden. Damit soll in zukünftigen Experimenten durch Vergleich der Fallbeschleunigung der beiden Atomsorten eine Messung des Äquivalenzprinzips möglich gemacht werden.

Ebenso werden die gewonnen Erkenntnisse in die Planung des BECCAL-Projekts einfließen, in dem innerhalb einer Kooperation zwischen NASA und DLR ein Experiment mit ultrakalten Quantengasen auf der Internationalen Raumstation (ISS) realisiert werden soll. Auch an diesem Team ist die Gruppe um Prof. Dr. Patrick Windpassinger beteiligt.

Die Höhenforschungsraketenmission MAIUS-1 wurde in einem Verbundprojekt zwischen der Leibniz Universität Hannover, der Universität Bremen, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Universität Hamburg, der Humboldt-Universität zu Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik Berlin, der TU Darmstadt, der Universität Ulm und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführt. Die Finanzierung des Projektes erfolgt durch das Raumfahrtmanagement des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags.

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_maius-I_01.jpg
Die Nutzlast der Höhenforschungsrakete in der Integrationshalle der European Space and Sounding Rocket Range (Esrange) in Schweden
Foto/©: André Wenzlawski, JGU

http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_quantum_maius-I_02.jpg
Die Nutzlast der Höhenforschungsrakete und alle an der Kampagne beteiligten Personen, darunter Wissenschaftler des Projekts MAIUS-1, Mitarbeiter des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt und Mitarbeiter des Raketenstartplatzes Esrange
Foto/©: Thomas Schleuss, DLR

Veröffentlichung:
Dennis Becker et al.
Space-borne Bose–Einstein condensation for precision interferometry
Nature, 17. Oktober 2018
DOI: 10.1038/s41586-018-0605-1
http://www.nature.com/articles/s41586-018-0605-1

Kontakt:
Dr. André Wenzlawski
Arbeitsgruppe Quanten-, Atom- und Neutronenphysik (QUANTUM)
Institut für Physik
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-22876
Fax +49 6131 39-25179
E-Mail: awenzlaw(at)uni-mainz.de
https://www.qoqi.physik.uni-mainz.de/team/andre-wenzlawski/  

Weiterführende Links:
http://www.phmi.uni-mainz.de/7942.php - QOQI-Projekt „Atominterferometrie mit Quantengasmischungen unter Schwerelosigkeit“

https://www.qoqi.physik.uni-mainz.de/ - Homepage der AG Windpassinger

Lesen Sie mehr:
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/260_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Experiment zu ultrakaltem Rubidium hebt mit Forschungsrakete vom Boden ab“ (24.01.2017)

http://www.magazin.uni-mainz.de/8106_DEU_HTML.php - JGU-Magazin-Beitrag „Bahnbrechende Messungen im Weltraum“ (17.02.2017)

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