Ultrakoldt atominterferometri i rummet

I 2017, et team af forskere ledet af Leibniz University Hannover lykkedes med at generere Bose-Einstein-kondensater i rummet inden for rammerne af MAIUS-1-raketmissionen. Bose-Einstein-kondensater beskriver en meget usædvanlig tilstand af stof tæt på absolut nul og kan illustreres med en enkeltbølgefunktion. Gennem tidskrævende analyser, forskerne undersøgte forskellige komponenter i kondensatet. Deres resultater er nu blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation . Dette markerer begyndelsen på ekstremt nøjagtige målinger via atominterferometri i rummet.

Ifølge Dr. Maike Lachmann fra Institute of Quantum Optics - en af ​​forfatterne til undersøgelsen - omfatter mulige anvendelser præcise test inden for fundamental fysik, såsom det frie falds universalitet. I øvrigt, deres resultater kunne bruges til højpræcisionsnavigation, Jordobservation via målinger af jordens gravitationsfelt, såvel som i forbindelse med søgen efter mørk energi eller påvisning af gravitationsbølger.

Bose-Einstein-kondensater i rummet betragtes i øjeblikket som den mest lovende kilde til atominterferometri. Til dette formål, en stofbølge frigives i frit fald og analyseres ved hjælp af et interferometer. Præcisionen af ​​målingen øges med varigheden af ​​det frie fald i interferometeret. På jorden, kortvarig mikrotyngdekraft kan opnås i specielle faldtårne ​​eller meget lange vakuumkamre. Imidlertid, betydeligt længere faldperioder og derfor kan der nås mere præcise målinger i rummet.

I MAIUS-missionen, forskerne brugte en sky af rubidium-atomer til at generere et Bose-Einstein-kondensat, som blev kølet ned til tæt på det absolutte nul gennem samspillet mellem lys og magnetiske felter. Alle partikler i denne sky kan så beskrives med en enkelt bølgefunktion. Ved hjælp af atominterferometri med en speciel geometri, holdet beviste sammenhængen i ensemblet og derfor evnen til at interferere. For det, de opdelte først bølgepakken rumligt og rekombinerede den bagefter. En lille rumlig forskydning af bølgepakkerne under rekombinationen resulterer i interferenser, der er synlige i tæthedsfordelingen af ​​ensemblet i form af vandrette striber, som verificerer ensemblets sammenhæng på tidsskalaer på få millisekunder. Denne metode bruges til at udføre meget præcise målinger af inertikræfter med uovertruffen nøjagtighed.

Ved at ændre intensiteten af ​​de involverede lysfelter, det lykkedes forskerne at ændre tæthedsfordelingen af ​​stofbølgen, derfor opnår man et faseaftryk, der er synligt som et lodret stribemønster. Denne metode kan bruges til at analysere miljøforhold, i dette tilfælde en magnetisk feltkrumning i baggrunden.