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Meilenstein auf dem Weg zu Quantentests von Einsteins Gravitationstheorie: Erstes Bose-Einstein-Kondensat im Weltall erzeugt

An der MAIUS-Mission sind die Humboldt-Universität zu Berlin (HU) sowie das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) beteiligt
MAIUS-Lasersystem

MAIUS-Lasersystem, mit dem im Weltraum
erstmalig ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugt
wurde. Abbildung: Humboldt-Universität zu Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete 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 können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen. An der MAIUS-Mission sind die Humboldt-Universität zu Berlin (HU) sowie das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) beteiligt - sie waren verantwortlich für das Lasersystem.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft beschleunigt. Dieses Prinzip gilt für Steine, Federn und Atome gleichermaßen. Unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit kann besonders lange und damit präzise gemessen werden, ob verschieden schwere Atome tatsächlich „gleich schnell im Schwerefeld der Erde fallen“ oder ob wir unser Bild von dem, was die Welt im Innersten zusammenhält, korrigieren müssen.

Einem nationalen Konsortium, zu dem auch die Humboldt-Universität zu Berlin (HU) sowie das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) gehören, ist nun im Rahmen der MAIUS-Mission ein historischer Schritt auf dem Weg zu einem Test des Äquivalenzprinzips im Mikrokosmos der Quantenobjekte gelungen.

Am 23.01.17 wurde um 03:30 Uhr Mitteleuropäische 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 Nobelpreisträger Cornell, Ketterle und Wieman im Feld der ultrakalten Atome deutet die vorläufige Auswertung der wissenschaftlichen Daten darauf hin, dass solche Experimente auch unter den rauen Bedingungen im Weltraum durchgeführt werden können – 1995 waren wohnzimmergroße Apparaturen in spezieller Laborumgebung dazu notwendig.

Der quantenoptische Sensor von Heute ist nur so groß wie ein Gefrierschrank und bleibt trotz der enormen mechanischen und thermischen Belastungen eines Raketenstarts einsatzfähig. Mit dieser Mission, gefördert 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 Bewältigung einer der womöglich größten 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 Geodäsie, der Vermessung der Erdoberfläche.

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 Universität Hannover koordiniert. Sie zeigt nicht nur, dass quantenoptische Experimente mit ultrakalten Atomen auch im Weltraum durchgeführt werden können, sie gibt dem FBH und der HU auch die Möglichkeit, 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 Höhenforschungsraketen in den Experimenten FOKUS und KALEXUS erfolgreich getestet werden

Über das Joint Lab Laser Metrology

Im Rahmen dieses Joint Labs werden sehr schmalbandige Diodenlaser, unter anderem für die optische Präzisionsspektroskopie im Weltraum entwickelt. Hierbei arbeiten das Ferdinand-Braun-Institut und die Arbeitsgruppe Optische Metrologie der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin eng zusammen. Dadurch können die gemeinsamen Interessen und komplementären Expertisen von HU (optische Präzisionsmessungen für fundamentalphysikalische Fragestellungen) und FBH (Halbleiterlaserentwicklung) optimal gebündelt werden.

Weitere Informationen

Kontakte

Prof. Achim Peters, PhD/Dr. Markus Krutzik
Humboldt-Universität zu Berlin
AG Optische Metrologie

Tel: 030 2093-4905 / -4814
achim.peters@physik.hu-berlin.de

markus.krutzik@physik.hu-berlin.de

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