Ultrakalte Quantenkollisionen erreichten zum ersten Mal den Weltraum

Selbst für Wissenschaftler, die ihr Leben dem Konzept der Schwerkraft gewidmet haben, ist der unerbittliche Abwärtszug der Macht manchmal ein Zug. Betrachten Sie beispielsweise die Forscher, die Bose-Einstein-Kondensate (BECs) untersuchen, als präzise Sonden der Grundlagenphysik. BECs treten auf, wenn ein verdünntes Gas von Atomen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlt und als einzelnes, seltsames Stück Quantenmaterie zu wirken beginnt – ähnlich wie sich gewundene Wassermoleküle in einem Eisblock nach dem Abkühlen ändern. Diese seltsamen Verbindungen verstärken quantenmechanische Effekte wie die Welligkeit der Materie und machen sie auf Makroskalen sichtbar. Der schädliche Einfluss der Schwerkraft kann jedoch im Weg stehen.

Bei der erdgebundenen Flucht aus dem Griff der Schwerkraft werden BECs dem freien Fall ausgesetzt, normalerweise für kurze Schiffe in Hochfalltürmen oder Flugzeuge, die in Parabolbögen fliegen. Der beste Ansatz ist jedoch, die Erde hinter sich zu lassen und BECs in Raketen zu platzieren, um längere Perioden schwerelosen freien Falls in den Weltraum zu erleben. Kürzlich berichtete ein von der deutschen Raumfahrtbehörde unterstütztes Team von Physikern darüber. Im Naturkommunikation Im vergangenen Februar veröffentlichten sie die Ergebnisse eines Experiments im Jahr 2017 stellt BECs auf einem millimetergroßen Chip in einer suborbital klingenden Rakete her fast 300 Kilometer über der Oberfläche des Planeten. Die BECs fallen dann in den Gravitationszuständen zusammen, so dass Physiker die Kollisionen detailliert untersuchen können. Ihre Mission, MAIUS-1, war die erste, die BECs im Weltraum erfolgreich kollidierte und den Weg für neue räumliche Tests der Grundlagenphysik ebnete.

Kollision der Kondensate

Wenn zwei BECs kollidieren, wirken sie wie Wellen, anstatt wie normalerweise Atome voneinander abzuprallen. Wenn ihre Spitzen in einer Linie liegen, bildet sich eine noch höhere Welle. Wenn sich die Spitze einer Materiewelle mit der Mulde einer anderen überlappt, heben sie sich gegenseitig auf und lassen leeren Raum. Eine Begegnung zwischen zwei falschen Kondensaten führt zu einem Welleninterferenzmuster: abwechselnd helle Streifen, bei denen sich die beiden Wellen gegenseitig verstärken, und dunkle Streifen, bei denen sie sich gegenseitig vernichten. Die Erzeugung und Untersuchung dieser Muster in der Materie wird als Atominterferometrie bezeichnet.

An Bord der MAIUS-1-Rakete teilt ein sorgfältig choreografiertes Lasersystem die ultrakalten Atome vor der Kollision in mehrere Materiewellen auf. Bilder, die in der Rakete aufgenommen und analysiert wurden, sobald das Raumschiff zur Erde zurückkehrte, zeigten ein detailliertes gestreiftes Störungsmuster, das sich aus geringfügigen Unterschieden in Form und Position der Spitzen und Schalen der einzelnen BEC ergab. Durch die Untersuchung solcher Details konnten die Forscher feststellen, ob sich die Materiewellen geändert haben, bevor sie durch Wechselwirkung mit Licht oder anderen Kräften in ihrer Umgebung zusammenbrachen.

„Atome reagieren empfindlich auf alles“, sagt Naceur Gaaloul, Physiker an der Universität Leibniz in Hannover und Mitautor der Studie. Das Streifenmuster, das durch kollidierende BECs erzeugt wird, ist laut Gaaloul ein bisschen wie eine archäologische Ausgrabung: Es hilft Wissenschaftlern, die genaue Vorgeschichte von Materiewellen zu bestimmen und alles zu bestimmen, was ihre Spitzen und Täler bewegen könnte.

Der Zug der Schwerkraft macht es schwierig, weil er BECs fallen lässt, wenn sie sich aufeinander zu bewegen, was dazu führt, dass kurze Kollisionen und vage Interferenzmuster verschwinden. Die Mikrogravitationsbedingungen des Weltraums beseitigen diese Einschränkungen.

Laut Maike D. Lachmann, Physikerin an der Universität Leibniz in Hannover und Hauptautorin der Studie, war die Flucht vor der Schwerkraft immer die Motivation ihres Teams. „Das Ganze begann in einer Zusammenarbeit, die darauf abzielte, Experimente in einer Heimturmanlage durchzuführen“, erinnert sie sich. „Aber das langfristige Ziel war es, immer ins All zu gehen.“ Um ultrakalte Atome von einem fast 150 Meter hohen Turm fallen zu lassen, kauften Wissenschaftler für einige Sekunden Mikrogravitation. Die MAIUS-1-Rakete traf sie fast sechs Minuten lang.

„Mikrogravitation ist genau dort, wo Sie sein möchten“, sagte Cass Sackett, ein Physiker an der Universität von Virginia, der nicht an der Studie beteiligt war. „Ich gehe davon aus, dass wir im Laufe der Zeit Atominterferometer im Weltraum sehen werden, die besser sind als alles, was am Boden war.“ 2018 startete die NASA ein ultrakaltes Atomexperiment im Weltraum. Das Cold Atom Laboratory (CAL) der Weltraumbehörde hat seitdem Atome an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) gekühlt.

Die Fähigkeit von CAL, Quantenzustände in der Schwerelosigkeit zu erzeugen, damit Wissenschaftler mit vielen Physikern, einschließlich Sackett, spielen können. Anita Sengupta, eine Luftfahrtingenieurin, die in den ersten fünf Jahren ihrer Entwicklung als Projektmanagerin bei CAL tätig war und nicht Teil der neuen Studie war, bestätigt dieses Gefühl. „Meine persönliche Motivation hinter der Mission war es, eine Einrichtung zu entwerfen, um die grundlegende Physik des BEC zu untersuchen und eine neue Tür zur Quantenwelt zu öffnen“, sagt sie. Forscher, die kürzlich CAL verwenden Atominterferometrie-Experimente durchgeführt Ähnlich wie die Arbeit des MAIUS-1-Teams fügt Sengupta hinzu.

Coole Anwendungen für kalte Atome

Unabhängig von der verwendeten spezifischen weltraumgestützten Plattform besteht ein allgemeines Forschungsziel für die Atominterferometrie darin, das Grundprinzip zu testen, dass Körper aller Zusammensetzungen unter dem Einfluss der Schwerkraft gleich schnell fallen. Laut Lachmann wird die mehrfache Durchführung des MAIUS-1-Materiewelleninterferenzexperiments unter Verwendung von Gruppen verschiedener Atome diese Idee mit beispielloser Präzision testen. In dem unwahrscheinlichen Fall, dass die Schwerkraft einen Satz von Atomen mehr als den anderen bewegen würde, wären ihre beiden Streifenmuster sichtbar unterschiedlich.

Die extreme Präzision, die die Atominterferometrie bietet, zeigt auch die geringe Möglichkeit, dass Signaturen exotischer Kräfte, möglicherweise solche, die mit einigen Modellen der Dunklen Energie verbunden sind, durch die Technik gesehen werden können.

Eine unmittelbarere und praktischere Anwendung für Geräte wie die MAIUS-1-Folie kann in der himmlischen Navigation entstehen. Da BEC-Interferenzmuster selbst für kleinste Schwerkraftgewichte so empfindlich sind, können sie zur Abbildung von Details von Gravitationsfeldern verwendet werden. Ähnlich wie Karten von Unterwasserströmungen Schiffen beim Navigieren helfen, können diese Gravitationsfeldkarten nützlich sein, um die Raummanöver eines Raumfahrzeugs zu verfeinern.

Während seiner Mission hat das MAIUS-1-Team bereits mehrere technologische Fortschritte erzielt. Das Experiment von Wissenschaftlern passt auf eine einzelne raue Scheibe, anstatt wie in den meisten Landlabors auf einen großen Tisch gestellt zu werden – weil es den holprigen Flug durch die Erdatmosphäre überstehen musste. Die Forscher waren auch nach dem Start nicht in der Lage, mit der Rakete zu kommunizieren, so dass autonome Systeme die Atome abkühlten, manipulierten und fotografierten. In Zukunft wollen sie die Rakete mit häufig verwendeten Navigationssensoren ausstatten und die Leistung der Sensoren mit der ihres Chips vergleichen.

Derzeit arbeiten Wissenschaftler der NASA und von MAIUS-1 zusammen, um Upgrades für die zukünftige Installation auf CAL an Bord der ISS zu entwickeln, die mehr Optionen für Mikrogravitationsexperimente bieten, einschließlich der Verwendung von Atomen mit magnetischer Rotation oder die stark miteinander interagieren . Durch die Kombination ihrer Erfahrungen mit dem Herausziehen von Atomen aus der Schwerkraft hoffen die Forscher, die Grundlagenphysik unter eine noch stärkere Lupe im Weltraum zu stellen.