Forschung

Atominterferometrie im All

01.04.2021 - An Bord einer Forschungsrakete erstmals Atominterferometer im Weltraum realisiert.

Atominterferometer erlauben hochpräzise Messungen, indem sie den Wellencharakter von Atomen nutzen. Sie werden zum Beispiel für die Vermessung des Schwerefelds der Erde eingesetzt oder um Gravitations­wellen aufzuspüren. Einem Team von Wissenschaftlern aus Deutschland ist es gelungen, an Bord einer Forschungs­rakete erstmals ein Atom­interferometer im Weltraum zu demonstrieren. „Somit haben wir die technologischen Voraus­setzungen geschaffen, um Atominterferometrie auf einer Forschungs­rakete zu realisieren und zu zeigen, dass derartige Experimente nicht nur auf der Erde, sondern auch im Weltraum möglich sind“, sagt Patrick Windpassinger vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), dessen Gruppe an dem Experiment beteiligt war. 
 

Ein von der Leibniz Universität Hannover geleitetes Team von Forschern verschiedener Universitäten und Forschungs­zentren hatte im Januar 2017 die Maius-1-Mission gestartet und bei dieser Raketen­mission erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt. Dieser spezielle Materiezustand entsteht bei der Kühlung – in diesem Fall von Rubidium-Atomen – auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius. „Dieses kalte Ensemble ist für uns ein sehr günstiger Ausgangs­punkt für die Atom­interferometrie“, erklärt Patrick Windpassinger. Die Temperatur ist einer der limitierenden Faktoren: Bei kalten Temperaturen können Messungen länger und genauer durchgeführt werden. Bei den Experimenten wurde das atomare Gas aus Rubidium-Atomen durch die Einstrahlung von Laserlicht aufgespalten und zu einem späteren Zeitpunkt wieder überlagert. Je nachdem, welche Kräfte auf die Atome auf den verschiedenen Pfaden einwirken, ergeben sich verschiedene Interferenz­muster, die dann im Umkehrschluss genutzt werden können, um die wirkenden Kräfte, wie die Gravitation, zu vermessen. 

In der Forschungsarbeit wurde zunächst die Kohärenz, also die Interferenz­fähigkeit des Bose-Einstein-Kondensats, als grundlegend notwendige Eigenschaft des atomaren Ensembles nachgewiesen. Dazu wurden die Atome im Interferometer durch Variation der Licht­sequenz nur partiell überlagert, was im Falle der Kohärenz zur Ausbildung einer räumlichen Dichte­modulation führte. Damit hat das Forschungs­team die grundlegenden Schritte für die Durchführung von Experimenten zur Vermessung des Schwerefeldes der Erde, zur Gravitations­wellen­detektion oder für einen Test des Einsteinschen Äquivalenz­prinzips demonstriert.

Besonders die Möglichkeit der Nutzung der Atom­interfero­metrie, um das Einsteinsche Äquivalenz­prinzip einem hoch­präzisen Test zu unterziehen, möchte das Team gerne bei den beiden kommenden Folgemissionen Maius-2 und Maius-3 weiter vorantreiben. Für 2022 und 2023 sind zwei weitere Raketen­starts geplant, bei denen neben Rubidium-Atomen auch Kalium-Atome zur Interferenz gebracht werden sollen. Durch den Vergleich der Fallbeschleunigung der beiden Atomsorten soll, so die Erwartungen, eine Messung des Äquivalenzprinzips mit bisher unerreichter Präzision ermöglicht werden. „Ein solcher Test wäre dann eine Ziel­stellung für zukünftige Experimente auf Satelliten oder der ISS, wie zum Beispiel dem in der Planungs­phase befindlichen Beccal-Experiment. Dort sind die erreichbaren Genauigkeiten nicht durch die limitierte Freifall­zeit auf der Rakete begrenzt“, erklärt André Wenzlawski aus der Arbeits­gruppe von Windpassinger, der an den Raketen­missionen direkt beteiligt ist.

Damit reiht sich dieses Experiment in das hochaktuelle Feld der Quanten­technologien ein, in dessen Zusammenhang auch Entwicklungen auf den Gebieten der Quanten­kommunikation, der Quantensensorik und des Quanten­computings zu nennen sind. Die Höhen­forschungs­raketen­mission Maius-1 wurde in einem Verbundprojekt zwischen der Leibniz Universität Hannover, der Universität Bremen, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Universität Hamburg, der Humboldt-Universität zu Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchst­frequenz­technik Berlin und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführt. 

U. Mainz / DE
 

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