Warum das „Cold Atom Lab (CAL)“ in der Größe eines Minikühlschranks, das an Bord der ISS die Erde umkreist, für die Wissenschaft von Bedeutung ist  

Materie hat eine duale Natur; alles existiert sowohl als Teilchen als auch als Welle. Bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt wird die Wellennatur von Atomen durch Strahlung im sichtbaren Bereich beobachtbar. Bei solchen ultrakalten Temperaturen im Nanokelvin-Bereich verschmelzen die Atome zu einer einzigen größeren Einheit und gehen in den fünften Zustand über, das sogenannte Bose-Eisenstein-Kondensat (BEC), das sich wie eine Welle in einem großen Paket verhält. Wie alle Wellen zeigen Atome in diesem Zustand das Phänomen der Interferenz und die Interferenzmuster von Atomwellen können in Laboren untersucht werden. Atominterferometer, die in der Mikrogravitationsumgebung des Weltraums eingesetzt werden, fungieren als äußerst präzise Sensoren und bieten die Möglichkeit, die schwächsten Beschleunigungen zu messen. Das Cold Atom Laboratory (CAL) in der Größe eines Minikühlschranks, das an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) die Erde umkreist, ist eine Forschungseinrichtung zur Untersuchung ultrakalter Quantengase in der Mikrogravitationsumgebung des Weltraums. Es wurde vor einigen Jahren mit einem Atominterferometer aufgerüstet. Laut dem am 13. August 2024 veröffentlichten Bericht haben Forscher erfolgreich Pionierexperimente durchgeführt. Sie konnten die Vibrationen der ISS mithilfe eines Mach-Zehnder-Interferometers mit drei Impulsen an Bord der CAL-Anlage messen. Dies war das erste Mal, dass ein Quantensensor im Weltraum eingesetzt wurde, um Änderungen in der unmittelbaren Umgebung festzustellen. Beim zweiten Experiment wurde die Ramsey-Scherwelleninterferometrie eingesetzt, um Interferenzmuster in einem einzigen Durchgang zu erzeugen. Die Muster waren über eine freie Expansionszeit von mehr als 150 ms beobachtbar. Dies war die längste Demonstration der Wellennatur von Atomen im freien Fall im Weltraum. Das Forschungsteam maß auch den Rückstoß des Bragg-Lasers als Demonstration des ersten Quantensensors mithilfe der Atominterferometrie im Weltraum. Diese Entwicklungen sind bedeutsam. Als präziseste Sensoren können die weltraumgestützten Interferometer für ultrakalte Atome extrem schwache Beschleunigungen messen und bieten Forschern damit die Möglichkeit, Fragen zu untersuchen (wie etwa dunkle Materie und dunkle Energie, Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie, Vereinigung der Schwerkraft mit anderen Feldern), die die Allgemeine Relativitätstheorie und das Standardmodell der Teilchenphysik nicht erklären können, und so die Lücke in unserem Verständnis des Universums zu schließen. 

Wellen zeigen das Phänomen der Interferenz, d. h. zwei oder mehr kohärente Wellen verbinden sich zu einer resultierenden Welle, die je nach Phase der verbundenen Wellen eine höhere oder niedrigere Amplitude haben kann. Bei Licht sehen wir resultierende Wellen in Form von dunklen und hellen Rändern.  

Interferometrie ist eine Methode zur Messung von Eigenschaften unter Verwendung des Phänomens der Interferenz. Dabei wird die einfallende Welle in zwei Strahlen aufgeteilt, die unterschiedliche Wege zurücklegen und sich dann zu einem resultierenden Interferenzmuster oder Interferenzstreifen (im Fall von Licht) verbinden. Das resultierende Interferenzmuster reagiert empfindlich auf Änderungen der Bedingungen der Laufwege der Strahlen. Beispielsweise beeinflusst jede Änderung der Laufweglänge oder eines beliebigen Felds in Bezug auf die Wellenlänge das Interferenzmuster und kann für Messungen verwendet werden.   

de Broglie-Welle oder Materiewelle  

Materie hat eine duale Natur; sie existiert sowohl als Teilchen als auch als Welle. Jedes bewegte Teilchen oder Objekt hat eine Wellencharakteristik, die durch die de-Broglie-Gleichung gegeben ist  

λ = h/mv = h/p = h/√3mKT   

Dabei ist λ die Wellenlänge, h die Planck-Konstante, m die Masse, v die Geschwindigkeit des Teilchens, p der Impuls, K die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur in Kelvin. 

Die thermische de-Broglie-Wellenlänge ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Temperatur in Kelvin, was bedeutet, dass λ bei niedrigerer Temperatur größer ist.  

Untersuchung ultrakalter Atomwellen 

Für ein typisches Atom beträgt die de-Broglie-Wellenlänge bei Raumtemperatur etwa Ångström (10^-10 m) nämlich. 0.1 Nanometer (1 nm=10^-9 m). Eine Strahlung einer bestimmten Wellenlänge kann Details im gleichen Größenbereich auflösen. Licht kann keine Details auflösen, die kleiner als seine Wellenlänge sind. Daher kann ein typisches Atom bei Raumtemperatur nicht mit sichtbarem Licht abgebildet werden, das eine Wellenlänge im Bereich von etwa 400 nm bis 700 nm hat. Röntgenstrahlen können dies aufgrund ihrer Wellenlänge im Angström-Bereich, aber ihre hohe Energie zerstört genau die Atome, die sie beobachten sollen. Daher liegt die Lösung darin, die Temperatur des Atoms zu senken (auf unter 10^-6 Kelvin), so dass die de-Broglie-Wellenlängen der Atome zunehmen und mit den Wellenlängen des sichtbaren Lichts vergleichbar werden. Bei ultrakalten Temperaturen wird die Wellennatur der Atome messbar und für die Interferometrie relevant.  

Bei einer weiteren Reduzierung der Atomtemperatur in den Nanokelvinbereich (10^-9 Kelvin) bis etwa 400 nK gehen die atomaren Bosonen in den fünften Zustand über, der als Bose-Einstein-Kondensat (BCE) bezeichnet wird. Bei solch ultraniedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, wenn die thermischen Bewegungen der Teilchen extrem vernachlässigbar werden, verschmelzen die Atome zu einer einzigen größeren Einheit, die sich wie eine Welle in einem großen Paket verhält. Dieser Zustand der Atome bietet Forschern die Möglichkeit, Quantensysteme auf makroskopischer Ebene zu untersuchen. Das erste atomare BCE wurde 1995 in einem Gas aus Rubidiumatomen erzeugt. Seitdem hat dieser Bereich viele technologische Verbesserungen erfahren. Das molekulares BEC von NaCs-Molekülen wurde kürzlich bei einer ultrakalten Temperatur von 5 Nanokelvin (nK) erzeugt.  

Mikrogravitation im Weltraum ist besser für quantenmechanische Forschung  

Die Schwerkraft in erdgebundenen Laboren erfordert den Einsatz magnetischer Fallen, um die Atome für eine effektive Kühlung an Ort und Stelle zu halten. Die Schwerkraft begrenzt auch die Interaktionszeit mit den BECs in terrestrischen Laboren. Die Bildung von BECs in der Mikrogravitationsumgebung von Weltraumlaboren überwindet diese Einschränkungen. Eine Mikrogravitationsumgebung kann die Interaktionszeit erhöhen und Störungen durch das angelegte Feld verringern und so die quantenmechanische Forschung besser unterstützen. BCEs werden heute routinemäßig unter Mikrogravitationsbedingungen im Weltraum gebildet.  

Cold Atom Laboratory (CAL) auf der Internationalen Raumstation (ISS) 

Cold Atom Laboratory (CAL) ist eine Mehrbenutzer-Forschungseinrichtung auf der Internationalen Raumstation (ISS) zur Untersuchung ultrakalter Quantengase in der Mikrogravitationsumgebung des Weltraums. CAL wird ferngesteuert vom Operationszentrum im Jet Propulsion Laboratory aus betrieben.  

In dieser Weltraumanlage sind Beobachtungszeiten von über 10 Sekunden und ultrakalte Temperaturen unter 100 Picokelvin (1 pK = 10^-12 Kelvin) zur Untersuchung von Quantenphänomenen.   

Das Cold Atom Lab wurde am 21. Mai 2018 gestartet und Ende Mai 2018 auf der ISS installiert. In dieser Weltraumanlage wurde im Juli 2018 ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) erzeugt. Dies war das erste Mal, dass in der Erdumlaufbahn ein fünfter Materiezustand erzeugt wurde. Später wurde die Anlage durch den Einsatz von Interferometern für ultrakalte Atome aufgerüstet.  

CAL hat in den letzten Jahren viele Meilensteine ​​erreicht. Im Jahr 2020 wurden Rubidium-Bose-Einstein-Kondensate (BECs) im Weltraum erzeugt. Außerdem wurde gezeigt, dass eine Umgebung mit Mikrogravitation für Experimente mit kalten Atomen von Vorteil ist.  

Im vergangenen Jahr, im Jahr 2023, produzierten Forscher duale Spezies BEC aus ⁸⁷Rb und ⁴¹K und demonstrierte erstmals im Weltraum in der Cold Atom Laboratory-Einrichtung die gleichzeitige Atominterferometrie mit zwei Atomarten. Diese Erfolge waren wichtig für Quantentests der Universalität des freien Falls (UFF) im Weltraum.  

Jüngste Fortschritte bei weltraumgestützten Quantentechnologien 

Laut dem am 13. August 2024 veröffentlichten Bericht beschäftigten Forscher ⁸⁷Rb-Atome im CAL-Atominterferometer und führten erfolgreich drei Wegfindungsexperimente durch. Sie konnten die Vibrationen der ISS mithilfe eines Mach-Zehnder-Interferometers mit drei Impulsen an Bord der CAL-Anlage messen. Dies war das erste Mal, dass ein Quantensensor im Weltraum eingesetzt wurde, um Änderungen in der unmittelbaren Umgebung zu erkennen. Das zweite Experiment beinhaltete die Verwendung der Ramsey-Scherwelleninterferometrie, um Interferenzmuster in einem einzigen Durchlauf zu erzeugen. Die Muster waren über eine freie Expansionszeit von über 150 ms beobachtbar. Dies war die längste Demonstration der Wellennatur von Atomen im freien Fall im Weltraum. Das Forschungsteam maß auch den Rückstoß des Bragg-Laserphotonen als Demonstration des ersten Quantensensors mithilfe der Atominterferometrie im Weltraum. 

Bedeutung von Interferometern für ultrakalte Atome im Weltraum 

Atominterferometer nutzen die Quantennatur von Atomen und reagieren äußerst empfindlich auf Änderungen der Beschleunigung oder von Feldern. Daher werden sie als hochpräzise Werkzeuge eingesetzt. Auf der Erde werden Atominterferometer zur Erforschung der Schwerkraft und in fortschrittlichen Navigationstechnologien eingesetzt.   

Weltraumgestützte Atominterferometer haben den Vorteil einer Umgebung mit anhaltender Mikrogravitation, die freie Fallbedingungen mit viel geringerem Einfluss von Feldern bietet. Dies trägt auch dazu bei, dass Bose-Einstein-Kondensate (BECs) kältere Temperaturen im Picokelvin-Bereich erreichen und länger bestehen. Der Nettoeffekt ist eine längere Beobachtungszeit und damit bessere Untersuchungsmöglichkeiten. Dies verleiht im Weltraum eingesetzten ultrakalten Atominterferometern hochpräzise Messfunktionen und macht sie zu Supersensoren.  

Im Weltraum eingesetzte Interferometer für ultrakalte Atome können sehr kleine Schwankungen der Schwerkraft erkennen, die auf Schwankungen der Dichte hinweisen. Dies kann bei der Untersuchung der Zusammensetzung von Planetenkörpern und etwaiger Massenänderungen hilfreich sein.  

Hochpräzise Messungen der Schwerkraft können auch zu einem besseren Verständnis von Dunkler Materie und Dunkler Energie beitragen und bei der Erforschung subtiler Kräfte jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie und des Standardmodells helfen, die das beobachtbare Universum beschreiben.  

Die Allgemeine Relativitätstheorie und das Standardmodell sind die beiden Theorien, die das beobachtbare Universum beschreiben. Das Standardmodell der Teilchenphysik ist im Grunde die Quantenfeldtheorie. Es beschreibt nur 5 % des Universums, die restlichen 95 % bestehen aus dunklen Formen (dunkle Materie und dunkle Energie), die wir nicht verstehen. Das Standardmodell kann dunkle Materie und dunkle Energie nicht erklären. Es kann auch die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie nicht erklären. Ebenso konnte die Schwerkraft noch nicht mit den anderen Feldern vereint werden. Die Realität des Universums wird durch die aktuellen Theorien und Modelle nicht vollständig erklärt. Riesige Beschleuniger und Observatorien können viele dieser Naturgeheimnisse nicht erhellen. Als präziseste Sensoren bieten die weltraumgestützten Interferometer für ultrakalte Atome Forschern die Möglichkeit, diese Fragen zu untersuchen und die Lücke in unserem Verständnis des Universums zu schließen.  

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References:  

1. Meystre, Pierre 1997. Wenn Atome zu Wellen werden. Verfügbar unter https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf 

2. NASA. Cold Atom Laboratory – Universe Missions. Verfügbar unter https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/  

3. Aveline, DC, et al. Beobachtung von Bose-Einstein-Kondensaten in einem Forschungslabor in der Erdumlaufbahn. Nature 582, 193–197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1 

4. Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Quantengasgemische und Dual-Spezies-Atominterferometrie im Weltraum. Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w 

5. Williams, JR, et al 2024. Pathfinder experimentiert mit Atominterferometrie im Cold Atom Lab an Bord der Internationalen Raumstation. Nat Commun 15, 6414. Veröffentlicht: 13. August 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 Vorabdruckversion https://arxiv.org/html/2402.14685v1  

6. NASA demonstriert erstmals „ultra-coolen“ Quantensensor im Weltraum. Veröffentlicht am 13. August 2024. Verfügbar unter https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space 

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