BECCAL – Gravitation verstehen und Relativitätstheorie überprüfen
Die Experiment-Anlage BECCAL (Bose-Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory) ist eine Apparatur für die Forschung an und mit ultrakalten Atomen und Bose-Einstein-Kondensaten (BECs), die derzeit für den Einsatz auf der Internationalen Raumstation (ISS) entwickelt wird.
Logo der Mission BECCAL
Credit:
NASA/DLR
Bei Bose-Einstein-Kondensaten handelt es sich um einen ultrakalten Aggregatzustand mit Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt. In ihm können Teilchen nicht mehr voneinander unterschieden werden. Physikalisch werden sie in einem sogenannten gemeinsamen quantenmechanischen Zustand beschrieben – sie verhalten sich also wie ein einzelnes Teilchen. Bose-Einstein Kondensate wurden – nach Vorarbeiten von Satyendranath Bose – schon 1924 von Albert Einstein vorhergesagt, konnten aber erst 1995 auf der Basis von Rubidium- bzw. Natriumatomen experimentell erzeugt werden.
BECs bieten eine einzigartige Möglichkeit zur Untersuchung von physikalischen Effekten, die sich normalerweise auf der Ebene eines einzelnen Atoms abspielen. Ein Atom ist ungefähr 0,1 Nanometer groß. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist ungefähr 100.000 Nanometer dick. Diese kleinsten Bereiche sind technisch unmöglich zu beobachten. BECs bestehen jedoch aus bis zu mehreren hunderttausend einzelnen Atomen und sind mehrere Millimeter groß. Trotzdem verhalten sie sich wie ein einzelnes Atom. Somit ermöglichen sie detaillierte Studien von quantenphysikalischen Effekten. Beispielsweise kann man anhand von BECs hoch¬genaue Messungen von Beschleunigungen, Rotationen oder der Gravitation durchführen. Auch fundamentale physikalische Gesetze wie die allgemeine Relativitätstheorie können überprüft werden.
Lasermodul für Experimente mit ultrakalten Atomen
Hybrid mikro-integriertes Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) Lasermodul für Experimente mit ultrakalten Atomen auf der Internationalen Raumstation (ISS). Das Foto zeigt die ultrapräzisen Mikrooptiken mit nur 100 Nanometern Größe. Die Technik wurde durch das Ferdinand-Braun Institut mit Fördergeldern der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR für Weltraum-Anwendungen entwickelt.
Credit:
Ferdinand-Braun Institut /schurian.com
Experimente auf der Erde und im All
Experimente mit BECs auf der Erde sind zeitlich begrenzt, da sie durch die Erdbeschleunigung auf den Boden der Beobachtungskammer fallen. In Experimenten unter Schwerkraft können aktuell lediglich Messzeiten von ungefähr einer Sekunde erreicht werden. Längere Messzeiten können jedoch in Schwerelosigkeit umgesetzt werden. So erreichte beispielsweise das QUANTUS Experiment im Bremer Fallturm Zeiten von bis zu zwei Sekunden. Um die Dauer der Schwerelosigkeit zu erhöhen, wurde ein BEC-Experiment für den Einsatz auf einer Höhenforschungsrakete entwickelt. Im Rahmen der Mission MAIUS-1 wurde 2017 innerhalb eines Sechsminütigen Fluges die erste Erzeugung eines BECs im Weltraum demonstriert.
Eine noch längere Dauer wird durch Experimente auf Plattformen im Erdorbit ermöglicht, also Satelliten oder der Internationalen Raumstation ISS. Seit 2018 befindet sich mit dem amerikanischen „Cold Atom Laboratory“ (CAL) ein BEC-Experiment auf der ISS. Mit diesem sind Untersuchungen an BECs aus einer Atomsorte und an Mischungen von BECs aus zwei Atomsorten möglich.
Illustration der BECCAl-Experimentkammer für die Herstellung von Bose-Einstein-Kondensaten
Das Herzstück des BECCAL Experiments ist die Experimentkammer, in deren Mitte Bose-Einstein-Kondensate erzeugt und Experimente mit kalten Atomen durchgeführt werden können. Dazu werden in je einem Atomofen je ein Gramm Rubidium- und Kaliumatome bereitgestellt. Die Menge reicht für die gesamte Missionsdauer aus. Diese Atome werden mit Hilfe von Magnetfeldern, Lasern und einem Atomchip gefangen und können bis auf Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden. So kann auch ein Bose-Einstein Kondensat entstehen und untersucht werden.
Bild: 1/2, Credit:
Frye et al., The Bose-Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory, EPJ Quantum Technology 8, 1 (2021).
Dichte eines Bose-Einstein-Kondensats
Beispielhafte Dichteverteilung von kalten Quantengasen nahe dem absoluten Nullpunkt bei rund Minus 273 Grad Celsius. Quantengase sind Gase aus einer speziellen Atomsorte. Nicht alle Gase eignen sich, um aus ihnen Bose-Einstein-Kondensate herzustellen. Nähert sich die Temperatur eines Quantengases dem absoluten Nullpunkt, so kann der Übergang von einem thermischen Gas (breite Dichteverteilung, links) hin zum Bose-Einstein-Kondensat (sehr schmale Dichteverteilung, rechts) erfolgen, bei dem die meisten Atome den gleichen Zustand einnehmen und sich wie ein makroskopischer Quantenzustand verhalten. In Schwerelosigkeit kann dieser Zustand besonders lange aufrechterhalten und dadurch präzise gemessen werden.
BECCAL soll als Nachfolger dienen, seine Entwicklung wurde 2017 durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde NASA begonnen. Dabei wird ein BEC-Labor für die ISS gebaut, dass die Bandbreite von möglichen Experimenten zu Atomoptik, Quantenphysik und Zwei-Spezies-BEC-Interferometrie im Vergleich deutlich erweitern soll. Damit werden genauere Messungen zu verschiedenen physikalischen Grundlagen und die Überprüfung der Gültigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie für den Bereich der Quantenphysik möglich.
Das Herzstück von BECCAL ist die Experimentkammer. Sie besteht aus zwei Atomöfen, die jeweils mit einem Gramm Rubidium- und Kaliumatomen bestückt sind. Die Menge reicht für die gesamte Missionsdauer aus. Die Atome werden mit Hilfe von Magnetfeldern, Lasern und einem Atomchip in der Mitte der Kammer gefangen und können bis auf Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt heruntergekühlt werden. So können Bose-Einstein-Kondensate entstehen, die anschließend untersucht werden können.
Die Apparatur wird durch das DLR-Institut für Quantentechnologie, das DLR-Institut für Softwaretechnologie sowie das DLR-Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik entwickelt. Die Humboldt-Universität Berlin, die Johannes-Gutenberg-Universität Mainz und das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik bauen Komponenten wie beispielsweise Lasersysteme. Die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR koordiniert die Entwicklung und den Bau von BECCAL und fördert beides mit Mitteln des Bundes.
