17.11.2023

Gemischte Quantengase im Weltraum

Experimente auf der ISS ebnen Weg für eine zukünftige Quantenchemie.

Zum ersten Mal haben Forschende im Weltraum eine Mischung aus zwei Quantengasen hergestellt, die aus zwei Arten von Atomen bestehen. Sie nutzten dafür das ferngesteuerte Cold Atom Lab der Nasa an Bord der Internationalen Raumstation. Der Erfolg ist ein weiterer Schritt auf dem Weg, die bisher nur auf der Erde verfügbaren Quanten­technologien ins All zu bringen. Physiker der Leibniz Universität Hannover lieferten im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Nicholas Bigelow von der Universität Rochester die dafür notwendigen theoretischen Berechnungen.

Abb.: Blick aus der Internationalen Raumstation auf die Kapsel, die das Cold...
Abb.: Blick aus der Internationalen Raumstation auf die Kapsel, die das Cold Atom Lab zur ISS brachte.
Quelle: NASA / JPL-Caltech

Die Forschungs­ergebnisse machen es nun möglich, nicht nur die Quanten­eigenschaften einzelner Atomsorten zu untersuchen, sondern auch die Quantenchemie, die sich damit befasst, wie Isotope verschiedener Elemente miteinander interagieren und sich in einem Quantenzustand verbinden. Forschende können mit dem Cold Atom Lab jetzt eine breitere Palette von Experimenten durchführen und feiner ermitteln, wie sie unter Bedingungen der Mikro­gravitation, also annähernder Schwere­losigkeit ablaufen. Mit dem Cold Atom Lab können Szenarien erforscht werden, in denen die Quantennatur der Atome ihr Verhalten dominiert. Das kann bedeuten, dass sich Atome und Moleküle nicht mehr wie feste Kugeln, sondern eher wie Wellen verhalten.

In einem dieser Szenarien können die Atome in zwei- oder dreiatomigen Molekülen zwar aneinander gebunden bleiben, sich aber immer weiter voneinander entfernen, fast so, als würden sich die Moleküle aufplustern. Um diese Zustände zu untersuchen, müssen zunächst die Atome verlangsamt werden. Dazu werden sie auf Bruchteile eines Grades über der niedrigsten Temperatur abgekühlt, die Materie erreichen kann und die weit kälter ist als alles, was im natürlichen Universum vorkommt: der absolute Nullpunkt oder minus 273 Grad Celsius.

Auf der Erde konnten diese aufgeplusterten Moleküle in Experimenten mit ultrakalten Atomen bereits erzeugt werden, sie sind jedoch extrem fragil und brechen entweder schnell auseinander oder kollabieren wieder in einen normalen molekularen Zustand. Aus diesem Grund sind vergrößerte Moleküle mit drei Atomen noch nie direkt abgebildet worden. In Mikro­gravitation können die empfindlichen Moleküle länger existieren und möglicherweise größer werden. Entsprechende Versuche sind nun mit dem Cold Atom Lab möglich.

„Wir haben jetzt zum Beispiel völlig neue Möglichkeiten, das Äquivalenz­prinzip von Einstein zu testen, eine der grundlegendsten Annahmen der Physik“, sagt Naceur Gaaloul vom Institut für Quantenoptik. Das Prinzip besagt, dass die Schwerkraft auf alle Objekte unabhängig von ihrer Masse gleich wirkt. Physik­lehrerinnen und -lehrer demonstrieren dieses Prinzip häufig, indem sie eine Feder und einen Hammer in eine versiegelte Vakuumkammer legen und zeigen, dass die beiden Objekte bei fehlender Luftreibung gleich schnell fallen. 

Das Äquivalenz­prinzip ist Teil von Albert Einsteins allgemeiner Relativitäts­theorie. Eine der großen Frage der modernen Physik ist jedoch, warum die Gesetze der Schwerkraft nicht mit den Gesetzen der Quantenphysik überein­zustimmen scheinen, die das Verhalten kleiner Objekte wie Atome beschreiben. Beide Bereiche haben sich in ihrem jeweiligen Größenbereich immer wieder als richtig erwiesen, bisher konnten sie aber nicht zu einer einzigen Beschreibung des Universums als Ganzes vereint werden.

Forschende der Leibniz Universität Hannover gehören zu den international führenden Expertinnen und Experten in der Quantenforschung bei extrem tiefen Temperaturen – sowohl auf der Erde als auch im Weltraum. So entwickelt die Topical Group „Cold Atoms in Space“ des Exzellenz­clusters QuantumFrontiers neue Ideen für die fundamentale Quantenphysik. An den Anlagen Very Long Baseline Atom Inter­ferometer und Einstein Elevator sind ultrakalte Atome das zentrale Element für bahnbrechende Experimente in der Atomoptik mit Anwendungen in der hochgenauen absoluten Gravimetrie und Tests der fundamentalen Physik. Derzeit laufen auch die Vorbereitungen für den Start der Raketenmission MAIUS-2, die die Erzeugung von Mischungen von Quantengasen im Weltraum untersuchen wird und deren Ergebnisse die Grundlage für ehrgeizige Inter­ferometrie-Missionen zusammen mit der Nasa auf der Internationalen Raumstation ab 2027 bilden werden.

LUH / JOL

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