"In einer Mikrogravitationsumgebung wurde von der Erde aus ein Quantengas mit zwei Arten von Atomen erzeugt.
An Bord der Internationalen Raumstation gibt es ein kompaktes Labor von der Größe eines kleinen Kühlschranks, das einige der kältesten Stoffe im Universum herstellt. Es heißt „Cold Atom Lab“ und seit einiger Zeit nutzen Wissenschaftler diese Kammer, um die seltsamen Quanteneigenschaften von Atomen in der Mikrogravitation zu erforschen. Am Mittwoch (15. November) gaben sie bekannt, dass sie einen Meilenstein erreicht haben.
Das von einem Team des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA in Kalifornien ferngesteuerte Cold Atom Lab erzeugte offiziell ein Quantengas, das zwei Atomarten enthielt. Dies könnte letztendlich die Tür für völlig neue weltraumgestützte Experimente in der Quantenchemie öffnen.
Wenn man an Materiezustände denkt, sind Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe und Plasmen die vier bekanntesten – aber es gibt auch einen exotischen fünften Materiezustand, das Bose-Einstein-Kondensat, das erstmals in den 1990er Jahren entdeckt wurde.
Dieser Zustand wird in der Natur nicht gefunden, aber Wissenschaftler können ihn erzeugen. Bose-Einstein-Kondensate werden in ultrakalten Laboren wie dem Cold Atom Lab erzeugt, wo Laser oder Magnete dabei helfen, eine Atomwolke nahe dem absoluten Nullpunkt oder -273 Grad Celsius abzukühlen. Das ist die kälteste Temperatur, die es im Universum gibt. In diesem Zustand werden Atome langsamer, ihre Kanten verschmelzen und Wissenschaftler können Quanteneffekte beobachten, die normalerweise nur sehr schwer zu untersuchen sind.
Auf der Erde führt die Schwerkraft dazu, dass sich Bose-Einstein-Kondensate auflösen, sobald die superkühlenden Magnete oder Laser in der Experimentierkammer abgeschaltet werden. Dies würde jedoch in der Mikrogravitationsumgebung des Weltraums nicht passieren. So stellten Wissenschaftler im Jahr 2018, dem Jahr, in dem die Kammer auf der ISS installiert wurde, erstmals Bose-Einstein-Kondensate im Cold Atom Lab her. Und in den darauffolgenden Jahren haben sie das Phänomen mit großem Erfolg untersucht.
Doch nun haben die Forscher gezeigt, dass sie ein solches Quantengas nicht nur mit einer, sondern mit zwei Arten von Atomen erzeugen können. In diesem Fall gelang ihnen das Kunststück mit einer Wolke aus Kalium-Rubidium Atomen. Laut einer JPL-Ankündigung könnten zukünftige Arbeiten mit dieser Art von Quantengas dazu genutzt werden, zur Entwicklung weltraumgestützter Quantentechnologien beizutragen, die es bereits auf der Erde gibt.
„Wir könnten Sensoren herstellen, die extrem empfindlich auf kleine Rotationen reagieren, und im Wesentlichen diese kalten Atome im Bose-Einstein-Kondensat nutzen, um Gyroskope herzustellen“, sagte Nicholas Bigelow, Professor für Physik und Optik an der Universität Rochester. Er ist Mitautor der neuen Erkenntnisse.
„Diese Gyroskope könnten uns einen festen Referenzpunkt im Weltraum geben, der für die Weltraumnavigation genutzt werden könnte“, sagte Bigelow. „Wir entwickeln auch eine Reihe von Dingen, die zu besseren Uhren im Weltraum führen könnten, die für so viele von entscheidender Bedeutung sind.“ Dinge des modernen Lebens wie Hochgeschwindigkeitsinternet und GPS.
Die Forscher glauben auch, dass zukünftige Experimente im Cold Atom Lab ihnen dabei helfen könnten, das Äquivalenzprinzip zu testen, das für Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie von zentraler Bedeutung ist. Dieses Prinzip besagt, dass die Schwerkraft auf alle Objekte unabhängig von ihrer Masse gleich wirken muss. Mit anderen Worten: Eine Feder und ein Ziegelstein sollten mit der gleichen Geschwindigkeit fallen – zumindest im Vakuum, wo es keine Reibung gibt.
Wissenschaftlern fällt es schwer, dieses Prinzip mit den Gesetzen der Quantenmechanik zu lösen, die beschreiben, wie sich die kleinsten bekannten Objekte im Universum verhalten. Möglicherweise können sie es in Quantenexperimenten im Weltraum genauer testen.
Ein Papier, das diese Ergebnisse detailliert beschreibt, wurde im November veröffentlicht. 15 in der Zeitschrift Nature."
Quantum gas mixtures and dual-species atom interferometry in space | Nature
