Wissenschaft

Zum ersten Mal im Weltraum wurden ultrakalte Quantenkollisionen erreicht

Selbst für Wissenschaftler, die ihr Leben dem Verständnis der Schwerkraft gewidmet haben, ist die unerbittliche Abwärtskraft der Kraft manchmal ein Hindernis. Betrachten Sie beispielsweise die Forscher, die Bose-Einstein-Kondensate (BECs) untersuchen, als präzise Sonden der Grundlagenphysik. BECs bilden sich, wenn ein verdünntes Atomgas auf nahezu Null abgekühlt wird und sich wie ein einzelnes, seltsames Stück Quantenmaterie verhält – ähnlich wie sich verschnörkelte Wassermoleküle nach dem Abkühlen in einen Eisblock verwandeln. Diese seltsamen Anordnungen vergrößern ansonsten verborgene quantenmechanische Effekte wie die wellenförmige Natur der Materie und enthüllen sie auf einer Makroskala. Aber manchmal kann der schädliche Einfluss der Schwerkraft im Weg stehen.

Bei erdgebundenen Gravitationsfluchten werden BECs dem freien Fall ausgesetzt, normalerweise für kurze Wellen in hohen Falltürmen oder Flugzeugen, die in Parabolbögen fliegen. Aber der wohl beste Ansatz ist es, die Erde hinter sich zu lassen und BECs in Raketen zu setzen, um längere Zeiträume schwerelosen freien Falls im Weltraum zu erleben. Kürzlich berichtete ein Team von Physikern, das von der deutschen Raumfahrtbehörde unterstützt wurde, dass sie genau das taten. Im Naturkommunikation Im vergangenen Februar veröffentlichten sie die Ergebnisse eines 2017 gefundenen Experiments BECs auf einem Millimeter-Chip in einer suborbital klingenden Rakete hergestellt fast 300 Kilometer über der Erdoberfläche. Die BECs kollabierten dann unter den Schwerelosigkeitsbedingungen, so dass die Physiker die Kollisionen im Detail untersuchen konnten. Ihre Mission, MAIUS-1, war die erste, die BECs im Weltraum erfolgreich kollidierte, und weist den Weg zu neuen weltraumgestützten Tests der Grundlagenphysik.

Kollision der Kondensate

Wenn zwei BECs kollidieren, arbeiten sie wie Wellen zusammen, anstatt wie gewöhnlich von Atomen abzuprallen. Wenn sich ihre Spitzen aneinanderreihen, bilden sie eine noch größere Welle. Wenn die Spitze einer Materiewelle den Nadir einer anderen überlappt, heben sie sich gegenseitig auf und lassen leeren Raum. Eine Begegnung zwischen zwei falsch ausgerichteten Kondensaten führt zu einem Welleninterferenzmuster: abwechselnd helle Streifen, bei denen sich die beiden Wellen gegenseitig verstärken, und dunkle Streifen, bei denen sie sich gegenseitig aufheben. Das Erzeugen und Studieren dieser Muster in Materie wird als Atominterferometrie bezeichnet.

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An Bord der MAIUS-1-Rakete spaltet ein sorgfältig choreografiertes Lasersystem die ultrakalten Atome in mehrere Materiewellen auf, bevor sie miteinander kollidieren. Bilder, die in der Rakete aufgenommen und analysiert wurden, nachdem das Raumschiff zur Erde zurückgekehrt war, zeigten ein detailliertes gestreiftes Interferenzmuster, das sich aus kleinen Unterschieden in Form und Position der Spitzen und Täler jedes BEC ergab. Durch die Untersuchung solcher Details konnten die Forscher feststellen, ob sich die Materiewellen vor dem Absturz aufgrund der Wechselwirkung mit Licht oder anderen Kräften in ihrer Umgebung geändert hatten.

“Atome reagieren empfindlich auf alles”, sagte Naceur Gaaloul, Physiker an der Universität Leibniz in Hannover und Mitautor der Studie. Das Streifenmuster, das durch kollidierende BECs erzeugt wird, ist laut Gaaloul ein bisschen wie eine archäologische Ausgrabung: Es hilft Wissenschaftlern, die genaue Geschichte der Materiewellen zu lokalisieren und alles zu lokalisieren, was ihre Spitzen und Täler hätte verschieben können.

Die Anziehungskraft der Schwerkraft erschwert dies alles, da BECs fallen, wenn sie sich aufeinander zu bewegen, was dazu führt, dass kurze Kollisionen und unscharfe Interferenzmuster verschwinden. Die Mikrogravitationsbedingungen des Raums überwinden diese Einschränkungen.

Laut Maike D. Lachmann, Physikerin an der Universität Leibniz in Hannover und Hauptautorin der Studie, war es immer die Motivation ihres Teams, der Schwerkraft zu entkommen. „Das Ganze begann in einer Zusammenarbeit, die darauf ausgelegt war, Experimente in einer Fallturmanlage durchzuführen“, erinnert sie sich. “Aber das langfristige Ziel war immer der Weltraum.” Das Fallenlassen ultrakalter Atome von einem fast 150 Meter hohen Turm gab den Wissenschaftlern einige Sekunden Mikrogravitation. Die MAIUS-1-Rakete hat das auf fast sechs Minuten reduziert.

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“Mikrogravitation ist wirklich der Ort, an dem Sie sein möchten”, sagte Cass Sackett, eine Physikerin an der Universität von Virginia, die nicht an der Studie beteiligt war. “Ich gehe davon aus, dass wir im Laufe der Zeit Atominterferometer im Weltraum sehen werden, die besser sind als alles, was am Boden war.” Tatsächlich startete die NASA 2018 ein ultrakaltes Atomexperiment im Weltraum. Das Cold Atom Laboratory (CAL) der Weltraumbehörde kühlt seitdem Atome an Bord der Internationalen Raumstation.

Die Fähigkeit von CAL, Quantenzustände in der Schwerelosigkeit zu erzeugen, damit Wissenschaftler mit vielen faszinierenden Physikern, einschließlich Sackett, spielen können. Anita Sengupta, eine Luft- und Raumfahrtingenieurin, die in den ersten fünf Jahren ihrer Entwicklung als Projektmanagerin bei CAL tätig war und nicht Teil der neuen Studie war, stimmt diesem Gefühl zu. “Meine persönliche Motivation hinter der Mission war es, eine Einrichtung zu entwickeln, um die grundlegende Physik des BEC zu erforschen und eine neue Tür zur Quantenwelt zu öffnen”, sagt sie. Forscher, die CAL verwenden, berichteten kürzlich Atominterferometrie-Experimente durchgeführt Ähnlich wie bei der Arbeit des MAIUS-1-Teams, fügt Sengupta hinzu.

Coole Apps für kalte Atome

Unabhängig von der verwendeten weltraumgestützten Plattform besteht ein gemeinsames Forschungsziel für die Atominterferometrie darin, das Grundprinzip zu testen, dass Körper aller Zusammensetzungen unter dem Einfluss der Schwerkraft mit der gleichen Geschwindigkeit fallen. Laut Lachmann würde eine mehrmalige Durchführung des MAIUS-1-Materiewelleninterferenzexperiments mit Chargen elementar unterschiedlicher Atome diese Idee mit beispielloser Präzision testen. In dem unwahrscheinlichen Fall, dass die Schwerkraft einen Satz von Atomen mehr als den anderen bewegte, wären ihre beiden Streifenmuster sichtbar unterschiedlich.

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Die extreme Präzision, die die Atominterferometrie bietet, eröffnet auch die geringe Möglichkeit, dass Signaturen exotischer Kräfte, möglicherweise solche, die mit einigen Modellen der Dunklen Energie verbunden sind, durch die Technik wahrgenommen werden könnten.

Eine direktere und praktischere Anwendung für Geräte wie den MAIUS-1-Chip könnte sich in der Himmelsnavigation ergeben. Da BEC-Interferenzmuster selbst bei geringsten Schwankungen der Schwerkraft so empfindlich sind, können sie zur Abbildung von Details von Gravitationsfeldern verwendet werden. Ähnlich wie Unterwasserströmungskarten Schiffen beim Navigieren helfen, können diese Gravitationsfeldkarten nützlich sein, um die Manöver eines Raumfahrzeugs im Weltraum zu verfeinern.

Während seiner Mission hat das MAIUS-1-Team bereits mehrere technologische Fortschritte erzielt. Das Experiment der Wissenschaftler passte auf einen einzigen robusten Chip, anstatt wie in den meisten terrestrischen Labors auf einem großen Tisch ausgelegt zu sein – weil es den holprigen Flug der Rakete durch die Erdatmosphäre überstehen musste. Außerdem konnten die Forscher nach dem Start nicht mit der Rakete kommunizieren, sodass autonome Systeme die Atome abkühlten, manipulierten und abbildeten. In Zukunft wollen sie die Rakete mit häufig verwendeten Navigationssensoren ausstatten und die Leistung dieser Sensoren mit der ihres Chips vergleichen.

Derzeit arbeiten Wissenschaftler der NASA und von MAIUS-1 zusammen, um Upgrades für die zukünftige Installation auf CAL an Bord der ISS zu entwickeln, die mehr Optionen für Mikrogravitationsexperimente bieten, einschließlich der Verwendung von Atomen mit magnetischen Spins oder der starken Interaktion miteinander. Durch die Kombination ihrer Erfahrungen mit dem Versuch, Atome der Schwerkraft zu entziehen, hoffen die Forscher, die Grundlagenphysik unter eine noch stärkere Lupe im Weltraum zu stellen.

Lili Falk

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