Lasersystem für Bose-Einstein-Kondensate im Einstein-Elevator

Einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, atomare Quantengasmischungen mit einem bislang unerreichten Teilchenfluss zu erzeugen. Im Rahmen von Experimenten mit der MAIUS-B-Apparatur erzeugte und untersuchte es Bose-Einstein-Kondensate aus zwei verschiedenen atomaren Spezies – Rubidium und Kalium – unter Bedingungen der Schwerelosigkeit im Einstein-Elevator der Uni Hannover. Maßgeblichen Anteil an diesem Erfolg hatte ein hochkomplexes und extrem kompaktes optisches System für die Steuerung der Atome.

Miniaturisiertes Lasersystem

Quelle: Sören Boles, JGU

Während die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats aus einer Atomart bereits 2017 im Rahmen der Mission MAIUS-1 erstmals im Weltraum gelungen war, stellte die gleichzeitige Kühlung und Manipulation von zwei Atomspezies die Forschenden vor enorme technologische Herausforderungen. Die an den aktuellen Forschungen beteiligte Mainzer Gruppe um Patrick Windpassinger und André Wenzlawski vom Institut für Physik der JGU entwickelte hierfür in Kooperation mit der Humboldt-Universität und dem Ferdinand-Braun-Institut in Berlin ein miniaturisiertes Lasersystem, mit dem trotz der doppelten Anzahl an benötigten Lasern sowie optischen und elektronischen Komponenten das Volumen und die Masse der Nutzlast nahezu konstant blieb. „Unsere Aufgabe war die Entwicklung der optischen Schnittstellen zwischen den Lasermodulen und dem Vakuumsystem, die für die Kühlung und Manipulation der Atome zwingend erforderlich sind“, erklärt Wenzlawski.

Ein technologisches Herzstück sind die optischen Bänke, die die Schnittstelle zwischen den Lasermodulen und dem Vakuumsystem bilden. Diese wurden in einer Zusammenarbeit der JGU mit der Universität Hamburg entwickelt. Die Systeme basieren auf der Glaskeramik Zerodur, die sich durch eine extrem geringe thermische Ausdehnung auszeichnet. „Diese Stabilität ist entscheidend, um die präzise Kontrolle der Atome auch unter den extremen mechanischen Belastungen eines Raketenstarts und schwankenden Temperaturen zu gewährleisten“, erklärt Wenzlawski. Die langfristige Nutzung der Apparatur im Einstein-Elevator und im Labor validiert die technologische Entwicklung. Die Apparatur erreicht dabei den bisher höchsten Erzeugungsfluss für eine solche BEC-Mischung und übertrifft bestehende mobile Systeme um eine Größenordnung.

Die in Mainz entwickelten Technologien sind ein entscheidender Meilenstein für die Nutzung von Quantensensoren im Weltraum. Die Robustheit und Präzision der optischen Module bilden die Basis für zukünftige Großprojekte wie das deutsch-amerikanische Atomlabor BECCAL auf der Internationalen Raumstation (ISS). Mithilfe solcher Systeme soll künftig unter anderem das Einstein’sche Äquivalenzprinzip mit bisher unerreichter Genauigkeit überprüft werden, indem man misst, ob unterschiedliche Atomarten im freien Fall tatsächlich identisch beschleunigt werden. [JGU / dre]