Experiment Cold Atoms Lab: Neues ISS-Labor für ultrakalte Atomforschung

Cold Atoms Lab - eine atomchipbasierte Anlage zur Untersuchung ultrakalter Quantengase
Credit: NASA.

Cold Atoms Lab - eine atomchipbasierte Anlage zur Untersuchung ultrakalter Quantengase

Künstlerische Darstellung der magneto­optischen Falle und des Atomchips, wie sie in einem Labor an Bord der Internationalen Raumstation ISS für das Einfangen ultrakalter Atome verwendet werden sollen.

Das "Cold Atoms Lab" - kurz CAL - ist eine kompakte, atomchipbasierte Anlage zur Untersuchung ultrakalter Quantengase wie zum Beispiel Bose-Einstein-Kondensaten (BEC). Mit dem CAL wird eine neue Ära der ISS-Forschung eingeläutet, da nun erstmals hochgenau fundamentalphysikalische Fragestellungen mit Quantenobjekten nahe am absoluten Temperaturnullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) untersucht werden können. In der Anlage werden Wolken aus Rubidium- und Kalium-Atomen sowie Mischungen beider Atomsorten erzeugt. Mit Hilfe von Laserpulsen wird die Bewegung der Atome abgebremst. Diese extrem verlangsamten Atome werden auf einem sogenannten Atomchip, einer magnetischen Falle, eingefangen. Wird das magnetische Feld heruntergefahren, verbleiben nur die kältesten und somit langsamsten Atome in der Falle.

Mit sinkender Temperatur, in unmittelbarer Nähe des absoluten Temperaturnullpunktes, verhält sich die Atomwolke wie ein einziges "Riesenatom" - ein Bose-Einstein-Kondensat hat sich gebildet. Dieses kann nun makroskopisch untersucht werden. Unter Schwerelosigkeit auf der ISS haben BEC eine Lebenszeit von bis zu 20 Sekunden. In keinem Labor auf der Erde lässt sich ein BEC so lange aufrechterhalten. Je länger die Lebensdauer des BEC, desto genauere Ergebnisse liefert der makroskopische Quantensensor - die Empfindlichkeit eines Atominterferometers steigt dabei quadratisch mit der Lebensdauer des BEC. Aufgrund der technischen Entwicklungen, die für Anlagen wie das CAL und das BECCAL stark vorangetrieben wurden, können Quantensensoren zukünftig auch außerhalb der reinen Fundamentalforschung zum Einsatz kommen, beispielsweise zur Lageregelung von Satelliten, zur Abstandsregelung bei Formationsflügen eines Satellitenschwarms oder auch zur präzisen Schwerefeldvermessung der Erde oder anderer Himmelskörper.

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