Meilenstein auf dem Weg zu Quantentests von Einsteins Gravitationstheorie: Erstes Bose-Einstein-Kondensat im Weltall erzeugt
MAIUS-Lasersystem, mit dem im Weltraum
erstmalig ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugt
wurde. Abbildung: Humboldt-Universit?t zu Berlin
An Bord einer H?henforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt und interferometrisch untersucht. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden k?nnen – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu k?nnen und ein Innovationstreiber für allt?gliche Anwendungen. An der MAIUS-Mission sind die Humboldt-Universit?t zu Berlin (HU) sowie das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für H?chstfrequenztechnik (FBH) beteiligt - sie waren verantwortlich für das Lasersystem.
Gem?? dem Einstein’schen ?quivalenzprinzip werden alle K?rper, unabh?ngig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft beschleunigt. Dieses Prinzip gilt für Steine, Federn und Atome gleicherma?en. Unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit kann besonders lange und damit pr?zise gemessen werden, ob verschieden schwere Atome tats?chlich ?gleich schnell im Schwerefeld der Erde fallen“ oder ob wir unser Bild von dem, was die Welt im Innersten zusammenh?lt, korrigieren müssen.
Einem nationalen Konsortium, zu dem auch die Humboldt-Universit?t zu Berlin (HU) sowie das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für H?chstfrequenztechnik (FBH) geh?ren, ist nun im Rahmen der MAIUS-Mission ein historischer Schritt auf dem Weg zu einem Test des ?quivalenzprinzips im Mikrokosmos der Quantenobjekte gelungen.
Am 23.01.17 wurde um 03:30 Uhr Mitteleurop?ische Zeit erstmalig im Weltraum eine Wolke Nanokelvin kalter Rubidium-Atome erzeugt. Diese wurde mit Laserlicht und Radiofrequenzen so abgekühlt, dass die einzelnen Atome gleichsam ein einziges Quantenobjekt formen, ein Bose-Einstein-Kondensat.
Gut 20 Jahre nach den bahnbrechenden Arbeiten der Nobelpreistr?ger Cornell, Ketterle und Wieman im Feld der ultrakalten Atome deutet die vorl?ufige Auswertung der wissenschaftlichen Daten darauf hin, dass solche Experimente auch unter den rauen Bedingungen im Weltraum durchgeführt werden k?nnen – 1995 waren wohnzimmergro?e Apparaturen in spezieller Laborumgebung dazu notwendig.
Der quantenoptische Sensor von Heute ist nur so gro? wie ein Gefrierschrank und bleibt trotz der enormen mechanischen und thermischen Belastungen eines Raketenstarts einsatzf?hig. Mit dieser Mission, gef?rdert vom Deutschen Zentrum für Luft- Und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, wurde die Grundlage für den zukünftigen Einsatz von Quantensensoren im Weltraum gelegt. Die Forscher erhoffen sich davon Hinweise zur Bew?ltigung einer der wom?glich gr??ten Herausforderungen der modernen Physik: die Vereinigung der Gravitation mit den anderen drei grundlegenden Wechselwirkungen (starke und schwache Kraft, Elektromagnetismus) in einer einheitlichen Theorie. Zugleich sind diese Experimente Innovationstreiber für ein breites Spektrum an Anwendungen, von der GPS-freien Navigation bis hin zur weltraumgestützten Geod?sie, der Vermessung der Erdoberfl?che.
Umfassendes Know-how bei Lasermodulen für Weltraumanforderungen
Das FBH hat für diese Mission hybrid mikrointegrierte, weltraumtaugliche Lasermodule entwickelt, die auf Halbleitern basieren. Diese hat die HU zusammen mit anderen optischen und spektroskopischen Modulen weiterer Partner zu einem funktionalen Gesamtlasersystem zusammengeführt und qualifiziert. Die Mission wurde von einem nationalen Konsortium unter Leitung der Leibniz Universit?t Hannover koordiniert. Sie zeigt nicht nur, dass quantenoptische Experimente mit ultrakalten Atomen auch im Weltraum durchgeführt werden k?nnen, sie gibt dem FBH und der HU auch die M?glichkeit, ihre Lasersystemtechnologie unter realen Einsatzbedingungen zu testen und die Ergebnisse zur Vorbereitung weiterer, bereits geplanter Missionen zu nutzen. Für beide Einrichtungen ist dies nicht der erste Einsatz ihrer Lasertechnologie im Weltraum. Bereits im April 2015 und Januar 2016 konnten Technologiebausteine der aktuellen Mission an Bord zweier H?henforschungsraketen in den Experimenten FOKUS und KALEXUS erfolgreich getestet werden
?ber das Joint Lab Laser Metrology
Im Rahmen dieses Joint Labs werden sehr schmalbandige Diodenlaser, unter anderem für die optische Pr?zisionsspektroskopie im Weltraum entwickelt. Hierbei arbeiten das Ferdinand-Braun-Institut und die Arbeitsgruppe Optische Metrologie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakult?t der Humboldt-Universit?t zu Berlin eng zusammen. Dadurch k?nnen die gemeinsamen Interessen und komplement?ren Expertisen von HU (optische Pr?zisionsmessungen für fundamentalphysikalische Fragestellungen) und FBH (Halbleiterlaserentwicklung) optimal gebündelt werden.
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Prof. Achim Peters, PhD/Dr. Markus Krutzik
Humboldt-Universit?t zu Berlin
AG Optische Metrologie
Tel: 030 2093-4905 / -4814
achim.peters@physik.hu-berlin.de