Forschung

Kältestes Kondensat ganz schwerelos

02.09.2021 - Materiewellenlinsensystem hält Bose-Einstein-Kondensat zusammen und macht tiefste Temperaturen möglich.

Bei der Erforschung der Wellen­eigenschaften von Atomen entsteht am Zentrum für angewandte Raumfahrt­technologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen für wenige Sekunden einer der kältesten Orte des Universums. Der Temperatur­rekord nahe dem absoluten Nullpunkt ergibt sich aufgrund der extrem verlangsamten Bewegung der beobachteten Atome in einem ultrakalten Gas – einem Bose-Einstein-Kondensat (BEK). Mit Hilfe eines neuentwickelten Materie­wellen­linsen­systems konnte die Bewegung in bislang unerreichter Weise reduziert und dies durch Beobachtung des BEK über zwei Sekunden im freien Fall im Fallturm Bremen nachgewiesen werden.

 

Ein BEK stellt einen besonderen Quanten-Zustand von Materie dar, der bei tiefsten Temperaturen auftritt und bei dem die einzelnen Atome gewissermaßen eine einzige zusammen­hängende Materiewelle bilden. Mit derartigen Materiewellen lassen sich ganz analog zu Lichtwellen sehr empfindliche Interferometer bauen, um damit beispielsweise Rotationen, Beschleunigungen oder kleinste Änderungen der auf die Atome wirkenden Schwerkraft zu vermessen. Ersteres kann zu einer genaueren Navigation eingesetzt, letzteres für Tests fundamentaler physikalischer Theorien verwendet werden. Die Schwierigkeit dabei: Das bereits sehr kalte BEK besitzt immer noch eine geringe innere Energie, die die Atome auseinandertreibt. Diese geringfügige Ausdehnung macht es unmöglich, ein frei fallendes BEK in den genannten Anwendungen für längere und damit genauere Messungen einzusetzen.

Forschern der Leibniz Universität Hannover, des ZARM an der Universität Bremen, der Humboldt-Universität zu Berlin sowie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es nun im Rahmen des Quantus-Projektes gelungen, ein Materiewellen­linsensystem zu entwickeln, welches die Expansion – und damit letztlich den Zerfall – des BEK aufhält. Mit diesem Materiewellen­linsensystem war es möglich, die interne kinetische Energie eines BEK mit 100.000 Atomen stärker als je zuvor zu reduzieren.

Das bedeutet, die Bewegung der Atome innerhalb des BEK konnte so verlangsamt werden, dass eine effektive Temperatur von 38 Pikokelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt erreicht wurde. Das entspricht 38 Billionstel Grad über minus 273 Grad Celsius – ein absoluter Minus­rekord. Nachgewiesen wurde dies schließlich in einer Reihe von Experimenten im Fallturm Bremen, wobei die verlangsamte Expansion über bis zu zwei Sekunden beobachtet werden konnte. Zudem deuten Computersimulationen darauf hin, dass das BEK mit Hilfe des Materiewellen­linsensystems theoretisch sogar für 17 Sekunden in Schwerelosigkeit aufrechterhalten werden kann – die Voraussetzung für künftige Messungen höchster Präzision in ausgedehnter Schwerelosigkeit, etwa auf einem Satelliten.

Erzeugt wird das BEK in einer magnetischen Falle, nach deren Abschalten es zunächst in allen drei Raumrichtungen expandiert. Durch eine magnetische Linse konnte diese Expansion zwar bereits in der Vergangenheit verlangsamt und die Materie­welle kollimiert werden. Allerdings funktionierte dies aufgrund einer starken Asymmetrie der Magnetfalle nur in zwei Richtungen hinreichend gut. Um auch in der dritten Richtung die Ausdehnung aufzuhalten, konnten die Forscher nun eine zuvor angeregte kollektive Schwingung der Atomwolke nutzen.

Wird die durch diese Schwingung pulsierende Atomwolke zum richtigen Zeitpunkt aus der Falle entlassen, ist die Ausdehnung in der problematischen Richtung bereits stark reduziert, und der nachfolgende Einsatz der magnetischen Linse stoppt die Ausdehnung schließlich auch in den verbleibenden zwei Richtungen. Mit diesem Versuchsaufbau entstand im Fallturm Bremen das sich am langsamsten ausbreitende BEK und damit auch die kälteste derartige Atomwolke weltweit.

ZARM / DE

 

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