Ultrakalte Atominterferometrie im Weltraum

Einem internationalen Forscher­team gelang im Rahmen der Weltraum­mission MAIUS-1 im Jahr 2017 erstmals die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten im Weltall. Die Wissen­schaftler haben in aufwändigen Analysen die verschiedenen Komponenten des Kondensats analysiert und die Ergebnisse jetzt veröffentlicht. Sie sehen darin den Startpunkt für extrem genaue Messungen mit Atom­inter­ferometrie im Weltraum.

Mögliche Anwendungen finden sich laut Maike Lachmann von der Uni Hannover, die an der Studie maßgeblich beteiligt war, beispiels­weise in präzisen Tests funda­men­taler Physik – etwa der Universalität des freien Falls –, in der hoch­genauen Navigation, der Erdbeob­achtung durch die Vermessung des Schwere­felds 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 Forscher 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 hoher 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.

LUH / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. D. Lachmann et al.: Ultracold atom interferometry in space, Nat. Commun. 12, 1317 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-21628-z
• Quantum Atom Optics, Institut für Quantenoptik, Fklt. für Mathematik und Physik, Leibniz-Universität Hannover
• MAIUS - Materiewellen-Interferometrie unter Schwerelosigkeit, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt