Laserquellen Forscher kontrollieren Bose-Einstein-Kondensat in der Schwerelosigkeit

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An Bord der Rakete MAIUS-2 wurden rund 75 Experimente rund um das Bose-Einstein-Kondensat realisiert. Spezielle Laserquellen des Ferdinand-Braun-Instituts ermöglichten hochkomplexe quantenphysikalische Experimente.

Die Mission MAIUS-2 ist eine erfolgreiche Höhenforschungsmission, die am 2. Dezember 2023 von Kiruna, Schweden, aus in den Weltraum startete. An Bord der Rakete wurden rund 75 Experimente zur Untersuchung von Mischungen aus sogenannten Bose-Einstein-Kondensaten durchgeführt. Diese Kondensate bestehen aus Atomen, die sich in einem bestimmten Zustand befinden, in dem sie alle die gleiche Energie und die gleiche Richtung der Wellenfunktion haben.

Die Lasermodule des Ferdinand-Braun-Instituts spielten eine wichtige Rolle bei der Kontrolle und Manipulation der Atome unter extremen Bedingungen. Sie ermöglichten es den Wissenschaftlern, die Atome zu kühlen, einzufangen und zu manipulieren.

Die Ergebnisse der MAIUS-2-Mission werden in den kommenden Monaten ausgewertet. Sie könnten neue Erkenntnisse über die Eigenschaften von Bose-Einstein-Kondensaten liefern und neue Anwendungen für diese faszinierenden Systeme ermöglichen.

Wechselwirkung zwischen den Atomen der Kondensate

Ein Bose-Einstein-Kondensat ist ein extremer Aggregatzustand der Materie, in dem sich die Atome einer ultrakalten Gaswolke in einem gemeinsamen quantenmechanischen Zustand befinden. Dieses Ensemble ultrakalter Atome wird durch eine räumlich ausgedehnte Materiewelle beschrieben, mit der Interferenzexperimente durchgeführt werden, die eine gewisse Ähnlichkeit mit optischen Interferenzexperimenten aufweisen.

Während der fünfeinhalbminütigen Flugzeit in Schwerelosigkeit können mit den Bose-Einstein-Kondensaten Beschleunigungen und Kräfte sowie die Wechselwirkung zwischen den Atomen der Kondensate mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Die Schwerelosigkeit ermöglicht besonders tiefe Temperaturen, die auf der Erde nicht erreicht werden können. Davon versprechen sich die Forscher unter anderem ein tieferes Verständnis der fundamentalen Naturkräfte. Auch für die Navigation künftiger Raumsonden bieten weltraumgestützte Atominterferometer vielversprechende Ansätze.

Um derartige Bose-Einstein-Kondensate zu erzeugen, werden die Atome zunächst mit Lasern und Magnetfeldern abgekühlt und gefangen. Aus einer sogenannten Magnetfalle werden anschließend die energiereichsten Atome durch das Einstrahlen von Mikrowellen entfernt. Hierdurch werden sie unterhalb der kritischen Temperatur von einigen hundert Nanokelvin abgekühlt und ein Bose-Einstein-Kondensat entsteht.

Spezielle Laserquellen kühlen die Atome

Das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) hat die für die Experimente im Verbundprojekt Quantus IV – MAIUS (Maius-II) benötigten Laserquellen entwickelt und realisiert. Mit ihrem Laserlicht lassen sich die atomaren Spezies Rubidium und Kalium kohärent manipulieren und detektieren. Insgesamt hat das FBH zehn ECDL-MOPA-Lasermodule der Serie MiLas mit Emissionswellenlängen von 767 nm, 780 nm und 1064 nm für die Mission geliefert.

ECDL-MOPAs – Extended Cavity Diode Laser – Master Oscillator Power Amplifier – sind Diodenlasermodule mit erweitertem Resonator, bei denen sich die Eigenschaften der Laserpulse durch den Master-Oszillator mit Leistungsverstärker (Power Amplifier) optimal kontrollieren lassen. Diese Module basieren auf der umfassenden Expertise des FBH in der Halbleitertechnologie, der einzigartigen Mikrointegrationstechnik und dem Know-how des Instituts bei der Fertigung für die Raumfahrt.

Aufgrund ihrer hohen optischen Leistung, ihrer exzellenten spektralen Stabilität und ihres extrem geringen SWaP-Budgets – das steht für Size, Weight and Power – ermöglichen diese Lasermodule hochkomplexe quantenphysikalische Experimente auf kleinstem Raum. Darüber hinaus hat das FBH zwei weitere Distributed Feedback (DFB)-Lasermodule für die Mission gefertigt. Sie dienen als Frequenzreferenz, wobei ein Modul auf den Rubidium- und das andere auf den Kaliumübergang frequenzgekoppelt ist. Die Module basieren auf der Technologieplattform der Vorgängermission MAIUS-I, mit der erstmals erfolgreich ein Bose-Einstein-Kondensat im Weltraum erzeugt wurde.

Temperaturen um den absoluten Nullpunkt

Nach der Laserkühlung beginnt daher die zweite Phase des Temperaturabfalls in einer so genannten Magnetfalle. Dazu werden die Teilchen in eine Atomfalle gebracht, aus der sie nicht entkommen können. Dazu werden auf einem Atomchip Magnetfelder erzeugt. Den magnetischen Einschluss kann man sich als die Wände der Falle vorstellen. Anschließend werden die schnellsten Atome selektiv mit Mikrowellen entfernt, so dass im Mittel eine kältere Wolke zurückbleibt.

Diese Methode ist vergleichbar mit dem selektiven Abkühlen von Kaffee in einer Tasse: Lässt man das heiße Getränk stehen, kühlt es relativ langsam ab. Entfernt man jedoch durch Pusten gezielt den aufsteigenden Dampf – also die auf dem Weg zum BEK verbliebenen hochenergetischen Gasatome – so kühlt das Heißgetränk deutlich schneller ab. Durch diese so genannte Verdampfungskühlung können Temperaturen erreicht werden, die nur noch einen Hauch vom absoluten Nullpunkt entfernt sind - ideale Bedingungen für die Beobachtung eines BEK. Die so erzeugten ultrakalten Atome können dann zur Untersuchung ihres Grundzustandes und ihrer Wechselwirkungen genutzt werden und bieten darüber hinaus ideale Bedingungen für die Materiewellen-Interferometrie.

Während die Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats mit Rubidium-Atomen den Forschern und Forscherinnen gelang, traten bei dem Teil des Lasersystems, welches zur Erzeugung des Kalium BEK genutzt werden sollte, Probleme auf, so dass keine Kalium Atome gefangen werden konnten. Zur Ursache der Probleme werden nun detaillierte Untersuchungen durchgeführt, um damit das Design zukünftiger Missionen zu verbessern. (heh)

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