Atominterferometrie erstmals im Weltraum demonstriert

Mit Atominterferometern, die zu diesem Zweck die Wellennatur von Atomen nutzen, sind äußerst genaue Messungen möglich. Sie können so beispielsweise zur Messung des Gravitationsfeldes der Erde oder zur Detektion von Gravitationswellen eingesetzt werden. Ein Team deutscher Wissenschaftler hat erstmals erfolgreich Atominterferometrie im Weltraum durchgeführt – an Bord einer Rakete. “Wir haben die technologische Grundlage für die Atominterferometrie an Bord einer Rakete geschaffen und gezeigt, dass solche Experimente nicht nur auf der Erde, sondern auch im Weltraum möglich sind”, sagte Professor Patrick Windpassinger vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz (JGU) ), dessen Team an der Umfrage teilgenommen hat. Die Ergebnisse ihrer Analysen wurden in veröffentlicht Naturkommunikation.

Ein Forscherteam verschiedener Universitäten und Forschungszentren unter der Leitung der Leibniz-Universität Hannover startete im Januar 2017 die MAIUS-1-Mission. Dies war die erste Raketenmission, auf der seitdem ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt wurde. Dieser besondere Zustand der Materie tritt auf, wenn Atome – in diesem Fall Rubidiumatome – auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt minus 273 Grad Celsius abgekühlt werden. „Für uns war diese ultrakalte Baugruppe ein vielversprechender Ausgangspunkt für die Atominterferometrie“, erklärte Windpassinger. Die Temperatur ist einer der bestimmenden Faktoren, da Messungen bei niedrigeren Temperaturen genauer und über längere Zeiträume durchgeführt werden können.

Während der Experimente wurde das Gas der Rubidiumatome durch Laserbestrahlung abgetrennt und dann überlagert. Abhängig von den auf Atome auf ihren unterschiedlichen Wegen einwirkenden Kräften können mehrere Interferenzmodelle erzeugt werden, mit denen wiederum die sie beeinflussenden Kräfte wie die Schwerkraft gemessen werden können.

Die Studie zeigte zunächst die Konsistenz oder Interferenzkapazität des Bose-Einstein-Kondensats als eine grundlegend erforderliche Eigenschaft des atomaren Ganzen. Hierzu wurden die Atome des Interferometers durch Variation der Lichtsequenz nur teilweise überlagert, was im Falle der Kohärenz zur Erzeugung einer räumlichen Intensitätsmodulation führte. Das Forscherteam demonstrierte damit die Realisierbarkeit des Konzepts, was zu weiteren Experimenten führen könnte, die darauf abzielen, das Gravitationsfeld der Erde zu messen, Gravitationswellen zu erfassen und Einsteins Äquivalenzprinzip zu testen.

In naher Zukunft möchte das Team noch weiter gehen und die Machbarkeit der hochpräzisen Atominterferometrie untersuchen, um Einsteins Äquivalenzprinzip zu testen. Zwei weitere Raketenstarts, MAIUS-2 und MAIUS-3, sind für 2022 und 2023 geplant. Bei diesen Missionen beabsichtigt das Team, neben Rubidiumatomen auch Kaliumatome zur Erstellung von Interferenzdiagrammen zu verwenden. Durch den Vergleich der Beschleunigung des freien Falls der beiden Arten von Atomen kann ein Test des Äquivalenzprinzips mit einer bisher unerreichten Genauigkeit erleichtert werden. “Die Durchführung dieser Art von Experimenten wäre ein zukünftiges Ziel für Satelliten oder die Internationale Raumstation ISS, möglicherweise innerhalb von BECCAL, Bose Einsteins Labor für Kondensate und kalte Atome, das sich derzeit in der Planungsphase befindet.” In diesem Fall würde die erreichbare Genauigkeit nicht durch die begrenzte freie Fallzeit an Bord einer Rakete eingeschränkt “, erklärte Dr. Andre Wenzlawski, Mitglied der Windpassinger-Forschungsgruppe an der JGU, der direkt an diesen Missionen beteiligt ist.

Das Experiment ist ein Beispiel für das sehr aktive Forschungsfeld der Quantentechnologien, zu dem auch Entwicklungen in den Bereichen Quantenkommunikation, Quantensensoren und Quantencomputer gehören.

Die Raketenmission MAIUS-1 wurde im Rahmen eines Gemeinschaftsprojekts der Leibniz-Universität in Hannover, der Universität Bremen, der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz, der Universität Hamburg, der Humboldt-Universität zu Berlin und des Ferdinand-Braun-Instituts in Berlin durchgeführt und die deutsche Luft- und Raumfahrt. Zentrum (DLR). Die Finanzierung des Projekts wurde von der Raumfahrtverwaltung des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt organisiert und auf der Grundlage eines Beschlusses des Deutschen Bundestages vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie bereitgestellt.

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Ähnliche Links:

https: //.www.BelastungPhysik.Universität Mainz.von/ – Experimentelle Forschungsgruppe für Quantenoptik und Quanteninformation am JGU Institut für Physik

Weiterlesen:

https: //.www.Universität Mainz.von/Eile/Strom/6645_ENG_HTML.php – Pressemitteilung „Zum ersten Mal im Weltraum erzeugtes Bose-Einstein-Kondensat“ (31. Oktober 2018);

http: // www.Geschäft.Universität Mainz.von/8106_ENG_HTML.php – JGU MAGAZIN: „Wegweisende Maßnahmen im Weltraum“ (17. Februar 2017);

http: // www.Universität Mainz.von/Eile/Strom/260_ENG_HTML.php – Pressemitteilung „Experiment zum Start von ultrakaltem Rubidium mit einer Forschungsrakete“ (2. Februar 2017);

https: //.www.Universität Mainz.von/Eile/20917_ENG_HTML.php – Pressemitteilung “Das von Mainzer Wissenschaftlern gemeinsam entwickelte Lasersystem besteht den Test im Weltraum” (25. Januar 2016)