Rekord im Einstein-Elevator: Zwei Quantengase in 2,3 Sekunden

Eine kompakte Forschungsanlage setzt neue Maßstäbe in der Quantenphysik: Innerhalb von nur 2,3 Sekunden erzeugt das System gleichzeitig zwei Wolken ultrakalter Atome – ein neuer Effizienzrekord für gemischte Bose-Einstein-Kondensate. Die Entwicklung zielt auf Präzisionsmessungen unter Schwerelosigkeit ab, bei denen jede Millisekunde zählt.

Quantengase bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (−273,15 °C) gehören zu den empfindlichsten Werkzeugen der modernen Physik. Forschenden ist nun ein bedeutender technologischer Durchbruch gelungen: Eine neu entwickelte, extrem kompakte Apparatur erzeugt simultan Bose-Einstein-Kondensate (BEC) aus Kalium-41 und Rubidium-87 in einer bisher unerreichten Frequenz. Nach Angaben des beteiligten Forschungsteams markiert die Zykluszeit von lediglich 2,3 Sekunden den weltweit höchsten Erzeugungsfluss für eine solche Zwei-Komponenten-Mischung.

Veröffentlicht wurden die Ergebnisse im renommierten Fachjournal Nature Communications. Die Motivation hinter der extremen Geschwindigkeitssteigerung ist rein praktischer Natur: Das System wurde gezielt für den Betrieb unter Schwerelosigkeit konstruiert.

Wettlauf gegen die Erdschwerkraft im Einstein-Elevator

Für Experimente im freien Fall stehen Forschenden oft nur winzige Zeitfenster zur Verfügung. Im sogenannten Einstein-Elevator der Leibniz Universität Hannover etwa bleiben pro Versuchslauf lediglich rund vier Sekunden, in denen die normale Schwerkraft die Messungen nicht stört. Je schneller die Erzeugung der Quantengase abläuft, desto mehr Zeit bleibt für das eigentliche physikalische Experiment.

Ein Bose-Einstein-Kondensat entsteht, wenn Atome so stark abgekühlt werden, dass ihre thermische Bewegung nahezu zum Erliegen kommt. Bei diesen Extremtemperatuen verlieren die Teilchen ihre individuelle Identität: Sie nehmen denselben quantenmechanischen Zustand ein und verhalten sich kollektiv wie eine einzige gigantische Materiewelle.

Besonders wertvoll für die Forschung sind Mischungen aus zwei unterschiedlichen Atomarten. An ihnen lässt sich untersuchen, wie zwei Materiewellen miteinander wechselwirken – und wie sich verschiedene Massen im Gravitationsfeld verhalten.

In der neuen Anlage, die unter dem Namen MAIUS-B firmiert, entstehen im simultanen Mischbetrieb jeweils rund 20.000 kondensierte Kalium- und Rubidiumatome. Wird der Prozess gezielt auf nur ein Element optimiert, erreicht das System Spitzenwerte von bis zu 250.000 Rubidium- oder 50.000 Kaliumatomen.

Sieben Diodenlaser kühlen die Atome im Zangenangriff

Herzstück der Apparatur ist ein hochkomplexes Optiksystem. Insgesamt sieben kompakte Diodenlaser wirken aus verschiedenen Raumrichtungen auf das Gasgemisch ein. Die Wellenlängen sind exakt abgestimmt:

• Kalium-41: ca. 767,7 nm
• Rubidium-87: ca. 780,2 nm

Das eingestrahlte Laserlicht übt einen gezielten Photonendruck auf die Atome aus und bremst deren Eigenbewegung drastisch ab. In einer magneto-optischen Falle (MOT) werden die Teilchen gleichzeitig durch überlagerte Magnetfelder räumlich fixiert. Über die Feineinstellung der jeweiligen Kühlphasen lässt sich das Mischungsverhältnis beider Elemente im späteren Kondensat präzise steuern.

Die Ingenieurleistung besteht vor allem darin, zwei physikalisch grundverschiedene Atomarten in einem einzigen, extrem kompakten Aufbau zu kontrollieren. Trotz der zusätzlichen Laser, Optikkomponenten und Steuerungselektronik blieben Baugröße und Gewicht im Rahmen – eine zwingende Voraussetzung für den künftigen Einsatz auf Höhenforschungsraketen.

Zerodur-Glaskeramik sichert Stabilität beim Raketenstart

Um den enormen mechanischen Belastungen eines Raketenstarts standzuhalten, sitzen alle optischen Komponenten auf Bänken aus Zerodur. Diese Speziel-Glaskeramik weist einen vernachlässigbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Schon Mikrometer-Abweichungen bei Spiegeln oder Linsen würden den Laserstrahl dejustieren und die empfindliche Kühlung kollabieren lassen.

Das MAIUS-B-System ist dadurch um ein Vielfaches robuster als konventionelle Laboraufbauten auf schweren Schwingungsdämpfungstischen.

Sympathische Kühlung: Rubidium dient als Kältemittel für Kalium

Im Anschluss an die Laserkühlung übernimmt ein sogenannter Atomchip – eine miniaturisierte Leiterstruktur – die Führung. Durch gezielte Stromflüsse entstehen steile Magnetfeldgradienten, die das Atomgemisch weiter komprimieren.

Die finale Temperaturabsenkung erfolgt zweistufig:

1. Verdampfungskühlung von Rubidium: Ähnlich wie beim Verdampfen einer heißen Flüssigkeit entweichen die energetischsten Rubidiumatome aus der Falle. Die verbleibenden Atome kühlen ab.
2. Sympathische Kühlung von Kalium: Kalium lässt sich auf diesem Weg direkt nur schwer kühlen. Es gibt seine thermische Energie jedoch durch elastische Stöße an das bereits kältere Rubidium ab. Rubidium agiert hier effektiv als Kältemittel, bis beide Partner gemeinsam den BEC-Zustand erreichen.

Eliminierung von Wirbelströmen schützt das Äquivalenzprinzip

Ein gravierendes Problem bei Präzisionsmessungen bilden elektromagnetische Störgrößen. Werden die Haltefelder schlagartig abgeschaltet, induzieren die abfallenden Ströme Wirbelströme in den metallischen Bauteilen der Kammer. Die daraus resultierenden Restmagnetfelder klingen nur langsam ab.

Da Kalium und Rubidium unterschiedlich stark auf magnetische Felder reagieren, erhielten sie beim Freisetzen bislang leicht abweichende Impulskicks. Bei Tests zur Überprüfung des Einsteinsche Äquivalenzprinzips – das besagt, dass alle Körper im Vakuum unabhängig von ihrer Masse gleich schnell fallen – würde dieser technische Störeffekt eine vermeintliche Verletzung des Naturgesetzes vortäuschen.

Die Entwickler lösten dies durch ein exakt getaktetes, zeitversetztes Abschaltprotokoll der Magnetspulen. Dadurch konnte die relative Startgeschwindigkeit beider Wolken bis an die physikalische Auflösungsgrenze der Steuerung angleichen werden.

Ausblick: Quantengaslabor BECCAL für die ISS

Unter Erdschwerkraft führen Dichte- und Gewichtsunterschiede dazu, dass sich die beiden Kondensatwolken nach dem Freisetzen rasch voneinander trennen. Im freien Fall des Einstein-Elevators bleibt die Überlagerung dagegen stabil, was ungestörte Beobachtungen der Quanten-Wechselwirkungen ermöglicht.

Die im Labor und im Fallturm gewonnenen Daten dienen als technologisches Sprungbrett für kommende Raumfahrtmissionen. Die Erkenntnisse aus MAIUS-B fließen direkt in die Entwicklung von BECCAL ein – einem gemeinsamen Quantengaslabor von NASA und DLR, das künftig auf der Internationalen Raumstation ISS betrieben werden soll.