Quelle: Universität Hamburg.

12. April 2022 – In der Schwerelosigkeit der Internationalen Raumstation lassen sich Experimente verwirklichen, die auf der Erde nicht möglich wären. Im Rahmen eines Verbundprojektes bauen Forschende vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg jetzt ein vollständiges Quantengasexperiment auf, das im Weltraum zum Einsatz kommen soll.

Das Experiment wird für das Verbundprojekt „Entwicklung eines Lasersystems für Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten auf der Internationalen Raumstation innerhalb der BECCAL-Nutzlast (BECCAL-II)“ entwickelt. Das Hamburger Team um Prof. Dr. Klaus Sengstock und Dr. Ortwin Hellmig vom Institut für Laserphysik und dem Zentrum für Optische Quantentechnologien entwickelt dazu – gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) – in einem mit einer Million Euro geförderten Teilprojekt ein Lasersystem zur Untersuchung von ultrakalten Quantengasen. In diese Arbeit fließen die Erkenntnisse von zahlreichen vorangegangenen Experimenten unter Schwerelosigkeit ein, wie beispielsweise MAIUS, QUANTUS oder KALEXUS, an denen die Universität Hamburg ebenfalls beteiligt war.

„Bei diesen Experimenten konnten wir in der Vergangenheit schon die außergewöhnliche Stabilität der in Hamburg entwickelten Optik unter Beweis stellen. Für die Raketenmission MAIUS im Januar 2017 haben wir zum Beispiel ein voll funktionsfähiges Lasersystem mit vergleichbarer Komplexität entwickelt. Wir freuen uns daher sehr über die erneute Chance“, sagt Ortwin Hellmig. Klaus Sengstock forscht zudem auch im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ an ultrakalten Quantengasen, sodass auch die dort gewonnene Expertise in das neue Projekt einfließt.

2026 geht’s zur ISS
BECCAL-II ist ein Teil des „Bose Einstein Condensate Cold Atom Laboratory“ (BECCAL), einem Nachfolger des CAL-Projekts, in dessen Rahmen seit 2018 zahlreiche Experimente auf der Internationalen Raumstation (ISS) durchgeführt wurden. Anfang 2026 soll das neue System zur ISS gebracht werden und die vorherige Apparatur ersetzen. Die Laufzeit ist auf drei Jahre ausgelegt.

Beim BECCAL-Experiment handelt es sich um eine Multi-Nutzer-Plattform, die nationalen und internationalen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern für die Verwirklichung ihrer Ideen offenstehen wird. Die Plattform ermöglicht ihnen, eine Vielzahl von Experimenten – unter anderem auf den Gebieten der Quantensensorik, der Quanteninformation oder der Quantenoptik – durchzuführen. BECCAL soll speziell die experimentellen Möglichkeiten auf den Gebieten der Präzisions-Atominterferometrie und der Manipulation der Atome mit verstimmten Lichtfeldern erweitern. So wird untersucht, wie die Welleneigenschaften von bestimmten Atomen miteinander interagieren und wie bestimmte Frequenzen des Lasers sich auf die Atome auswirken.

BECCAL
BECCAL ist ein Kooperationsprojekt zwischen dem forschenden Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), der DLR-Agentur und der US-Raumfahrbehörde NASA. Durch diesen Kooperationsvertrag sind weitere Institute beteiligt, wie das DLR-QT, DLR-SI, DLR-SC, das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation, die Leibniz Universität Hannover, das Ferdinand-Braun-Institut für Hochfrequenztechnik (FBH), die Universität Hamburg, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), die Humboldt-Universität zu Berlin (HUB), OHB System AG und Fierlinger Magnetics. Im Verbundprojekt BECCAL-2 zur Entwicklung des Lasersystems für die Nutzlast BECCAL arbeitet die Universität Hamburg mit der HUB, der FBH und der JGU zusammen. Das Förderkennzeichen ist DLR-50WP2103.

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Atominterferometer erlauben hochpräzise Messungen, indem sie den Wellencharakter von Atomen nutzen. Sie werden zum Beispiel für die Vermessung des Schwerefelds der Erde eingesetzt oder um Gravitationswellen aufzuspüren. Einem Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Deutschland ist es gelungen, an Bord einer Forschungsrakete erstmals ein Atominterferometer im Weltraum zu demonstrieren. „Somit haben wir die technologischen Voraussetzungen geschaffen, um Atominterferometrie auf einer Forschungsrakete zu realisieren und zu zeigen, dass derartige Experimente nicht nur auf der Erde, sondern auch im Weltraum möglich sind“, sagt Prof. Dr. Patrick Windpassinger vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dessen Gruppe an dem Experiment beteiligt war. Die Ergebnisse der Analysen wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Ein von der Leibniz Universität Hannover geleitetes Team von Forschenden verschiedener Universitäten und Forschungszentren hatte im Januar 2017 die MAIUS-1-Mission gestartet und bei dieser Raketenmission erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt. Dieser spezielle Materiezustand entsteht bei der Kühlung – in diesem Fall von Rubidium-Atomen – auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius. „Dieses kalte Ensemble ist für uns ein sehr günstiger Ausgangspunkt für die Atominterferometrie“, erklärt Patrick Windpassinger. Die Temperatur ist einer der limitierenden Faktoren: Bei kalten Temperaturen können Messungen länger und genauer durchgeführt werden.

Atominterferometrie: Atome werden durch räumliches Aufspalten und anschließendes Überlagern zur Interferenz gebracht
Bei den Experimenten wurde das atomare Gas aus Rubidium-Atomen durch die Einstrahlung von Laserlicht aufgespalten und zu einem späteren Zeitpunkt wieder überlagert. Je nachdem, welche Kräfte auf die Atome auf den verschiedenen Pfaden einwirken, ergeben sich verschiedene Interferenzmuster, die dann im Umkehrschluss genutzt werden können, um die wirkenden Kräfte, wie die Gravitation, zu vermessen.

Voraussetzung für Präzisionsmessungen geschaffen
In der Forschungsarbeit wurde zunächst die Kohärenz, also die Interferenzfähigkeit des Bose-Einstein-Kondensats, als grundlegend notwendige Eigenschaft des atomaren Ensembles nachgewiesen. Dazu wurden die Atome im Interferometer durch Variation der Lichtsequenz nur partiell überlagert, was im Falle der Kohärenz zur Ausbildung einer räumlichen Dichtemodulation führte. Damit hat das Forschungsteam 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.

Raketenmissionen MAIUS-2 und MAIUS-3 sollen weitere Messungen ermöglichen
Besonders die Möglichkeit der Nutzung der Atominterferometrie, um das Einstein’sche Äquivalenzprinzip einem hochpräzisen Test zu unterziehen, möchte das Team gerne bei den beiden kommenden Folgemissionen MAIUS-2 und MAIUS-3 weiter vorantreiben. Für 2022 und 2023 sind zwei weitere Raketenstarts geplant, bei denen neben Rubidium-Atomen auch Kalium-Atome zur Interferenz gebracht werden sollen. Durch den Vergleich der Fallbeschleunigung der beiden Atomsorten soll, so die Erwartungen, eine Messung des Äquivalenzprinzips mit bisher unerreichter Präzision ermöglicht werden. „Ein solcher Test wäre dann eine Zielstellung für zukünftige Experimente auf Satelliten oder der ISS, wie zum Beispiel dem in der Planungsphase befindlichen BECCAL-Experiment. Dort sind die erreichbaren Genauigkeiten nicht durch die limitierte Freifallzeit auf der Rakete begrenzt“, erklärt Dr. André Wenzlawski aus der Arbeitsgruppe von Windpassinger, der an den Raketenmissionen direkt beteiligt ist.

Damit reiht sich dieses Experiment in das hochaktuelle Feld der Quantentechnologien ein, in dessen Zusammenhang auch Entwicklungen auf den Gebieten der Quantenkommunikation, der Quantensensorik und des Quantencomputings zu nennen sind.

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 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.

Veröffentlichung:
Maike D. Lachmann et al.
Ultracold atom interferometry in space
Nature Communications, 26. Februar 2021
DOI: 10.1038/s41467-021-21628-z

Verwandte Meldung bei Raumfahrer.net:

• Ultrakalte Atominterferometrie im Weltraum (26. Februar 2021)

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• Wie erzeugt man die Energie für ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum?

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Quelle: Leibniz Universität Hannover.

Einem Team von Forschenden unter Leitung der Leibniz Universität Hannover gelang im Rahmen der MAIUS-1 Raketenmission 2017 erstmals die Erzeugung sogenannter Bose-Einstein Kondensate im Weltraum. Bose-Einstein Kondensate beschreiben einen exotischen Materie-Zustand nahe dem Temperatur-Nullpunkt und können mit einer einzelnen Wellenfunktion beschrieben werden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben in aufwändigen Analysen die verschiedenen Komponenten des Kondensats analysiert und die Ergebnisse nun in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Sie sehen darin den Startpunkt für extrem genaue Messungen mit Atominterferometrie im Weltraum.

Mögliche Anwendungen finden sich laut Dr. Maike Lachmann vom Institut für Quantenoptik und eine der Mitautorinnen der Studie beispielsweise in präzisen Tests fundamentaler Physik (etwa der Universalität des freien Falls), in der hochgenauen Navigation, der Erdbeobachtung durch die Vermessung des Schwerefeldes der Erde aber auch in der Suche nach dunkler Energie, oder der Gravitationswellendetektion.

Bose-Einstein-Kondensate im All gelten gegenwärtig als die vielversprechendste Quelle für Atominterferometrie. Dazu wird eine Materiewelle frei fallen gelassen und mit Hilfe eines Interferometers analysiert. Die Messung wird umso genauer, je länger die Freifallzeit im Interferometer dauert. Auf der Erde kann die Schwerelosigkeit für kurze Zeit in speziellen Falltürmen oder sehr langen Vakuumkammern erreicht werden. Im All können hingegen deutlich längere Fallzeiten und damit genauere Messungen erreicht werden.

Im Fall der MAIUS-Mission nutzten die Forschenden für das Bose-Einstein Kondensat eine Wolke aus Rubidium-Atomen, die durch die Interaktion mit Licht- und Magnetfeldern nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurde. Alle Teilchen der Wolke lassen sich dann mit einer einzigen Wellenfunktion beschreiben. Mit Hilfe von Atominterferometrie mit einer speziellen Geometrie, konnte die Kohärenz, also die Interferenzfähigkeit des Ensembles nachgewiesen werden. Dazu wird das Wellenpaket räumlich geteilt und wieder rekombiniert. Durch einen kleinen räumlichen Versatz der Wellenpakete bei der Rekombination bilden sich Interferenzen, die auf der Dichteverteilung des Ensembles in horizontalen Streifen sichtbar werden und die Kohärenz des Ensembles auf Zeitskalen einiger Millisekunden belegen. Diese Methode dient zur hochpräzisen Messung von Trägheitskräften mit unerreichter Genauigkeit.

Zum anderen konnte durch Veränderungen der Stärke der beteiligten Lichtfelder die Dichteverteilung der Materiewelle verändert und so eine Phasenverteilung aufgeprägt werden, was in einer vertikalen Streifenstruktur sichtbar wird. Damit können die Umgebungsbedingungen analysiert und in diesem Fall eine Magnetfeldkrümmung im Hintergrund festgestellt werden.

Das Forschungsprojekt ist eine Kooperation unter der Federführung der Leibniz Universität Hannover. Partner sind die Humboldt-Universität zu Berlin (HUB), das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation Universität Bremen (ZARM Bremen), die Universität Hamburg (UHH), die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und das Ferdinand-Braun-Institut und Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik Berlin (FBH).

Originalveröffentlichung
Ultracold atom interferometry in space
Maike D. Lachmann, Holger Ahlers, Dennis Becker, Aline N. Dinkelaker, Jens Grosse, Ortwin Hellmig, Hauke Müntinga, Vladimir Schkolnik, Stephan T. Seidel, Thijs Wendrich, André Wenzlawski, Benjamin Weps, Naceur Gaaloul, Daniel Lüdtke, Claus Braxmaier, Wolfgang Ertmer, Markus Krutzik, Claus Lämmerzahl, Achim Peters, Wolfgang P. Schleich, Klaus Sengstock, Andreas Wicht, Patrick Windpassinger, Ernst M. Rasel
Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-021-21628-z

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