Extrem lang und unglaublich kalt

Bei der Erforschung der Welleneigenschaften von Atomen entsteht am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen für wenige Sekunden einer der „kältesten Orte des Universums“. Der Temperaturrekord nahe dem absoluten Nullpunkt ist allerdings nicht mit einem Thermometer messbar, sondern ergibt sich aufgrund der extrem verlangsamten Bewegung der beobachteten Atome in einem ultrakalten Gas – einem Bose-Einstein Kondensat (BEK). Mit Hilfe eines neuentwickelten Materiewellenlinsensystems konnte die Bewegung in bislang unerreichter Weise reduziert und dies durch Beobachtung des BEK über bis zu zwei Sekunden im freien Fall im Fallturm Bremen nachgewiesen werden.

Ein BEK stellt einen besonderen Quanten-Zustand von Materie dar, der bei tiefsten Temperaturen auftritt und bei dem die einzelnen Atome gewissermaßen eine einzige zusammenhängende Materiewelle bilden. Mit derartigen Materiewellen lassen sich ganz analog zu Lichtwellen sehr empfindliche Messinstrumente bauen, sogenannte Interferometer, um damit beispielsweise Rotationen, Beschleunigungen oder kleinste Änderungen der auf die Atome wirkenden Schwerkraft zu vermessen. Ersteres kann zu einer genaueren Navigation eingesetzt, letzteres für Tests fundamentaler physikalischer Theorien verwendet werden. Die Schwierigkeit dabei: Das bereits sehr kalte BEK besitzt immer noch eine geringe innere Energie, die die Atome auseinandertreibt. Diese geringfügige Ausdehnung macht es dennoch unmöglich ein frei fallendes BEK in den genannten Anwendungen für längere und damit genauere Messungen einzusetzen.

Forschenden der Leibniz Universität Hannover, des ZARM an der Universität Bremen, der Humboldt-Universität zu Berlin sowie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es nun im Rahmen des QUANTUS-Projektes gelungen, ein Materiewellenlinsensystem zu entwickeln, welches die Expansion – und damit letztlich den Zerfall – des BEK aufhält. Mit diesem Materiewellenlinsensystem war es möglich, die interne kinetische Energie eines BEK mit 100.000 Atomen stärker als je zuvor zu reduzieren. Das bedeutet, die Bewegung der Atome innerhalb des BEK konnte so verlangsamt werden, dass eine effektive Temperatur von 38 Pikokelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt erreicht wurde. Das entspricht 38 Billionstel Grad über minus 273 Grad Celsius – ein absoluter Minusrekord. Nachgewiesen wurde dies schließlich in einer Reihe von Experimenten im Fallturm Bremen, wobei die verlangsamte Expansion über bis zu zwei Sekunden beobachtet werden konnte. Zudem deuten Computersimulationen darauf hin, dass das BEK mit Hilfe des Materiewellenlinsensystems theoretisch sogar für 17 Sekunden in Schwerelosigkeit aufrechterhalten werden kann – die Voraussetzung für künftige Messungen höchster Präzision in ausgedehnter Schwerelosigkeit, etwa auf einem Satelliten.

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