Atominterferometri demonstreret i rummet for første gang

Ekstremt præcise målinger er mulige ved at bruge atominterferometre, der anvender atomernes bølgekarakter til dette formål. De kan således bruges, for eksempel, at måle jordens gravitationsfelt eller at detektere gravitationsbølger. Et hold videnskabsmænd fra Tyskland har nu formået at udføre atominterferometri i rummet for første gang - om bord på en sonderende raket. "Vi har etableret det teknologiske grundlag for atominterferometri om bord på en sonderende raket og demonstreret, at sådanne eksperimenter ikke kun er mulige på Jorden, men også i rummet, " sagde professor Patrick Windpassinger fra Institut for Fysik ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), hvis hold var involveret i efterforskningen. Resultaterne af deres analyser er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

Et team af forskere fra forskellige universiteter og forskningscentre ledet af Leibniz University Hannover lancerede MAIUS-1-missionen i januar 2017. Dette er siden blevet den første raketmission, hvorpå et Bose-Einstein-kondensat er blevet genereret i rummet. Denne særlige tilstand af stof opstår, når atomer - i dette tilfælde atomer af rubidium - afkøles til en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt, eller minus 273 grader celsius. "For os, dette ultrakolde ensemble repræsenterede et meget lovende udgangspunkt for atominterferometri, " forklarede Windpassinger. Temperaturen er en af ​​de afgørende faktorer, fordi målinger kan udføres mere præcist og i længere perioder ved lavere temperaturer.

Atominterferometri:Generering af atominterferens ved rumlig adskillelse og efterfølgende superposition af atomer

Under forsøgene, gassen af ​​rubidiumatomer blev separeret ved hjælp af laserlysbestråling og derefter efterfølgende overlejret. Afhængigt af de kræfter, der virker på atomerne på deres forskellige veje, der kan produceres flere interferensmønstre, som igen kan bruges til at måle de kræfter, der påvirker dem, såsom tyngdekraften.

At lægge grunden til præcisionsmålinger

Undersøgelsen viste først sammenhængen, eller interferensevne, af Bose-Einstein-kondensatet som en fundamentalt påkrævet egenskab for atomensemblet. Til denne ende, atomerne i interferometeret blev kun delvist overlejret ved hjælp af at variere lyssekvensen, hvilken, i tilfælde af sammenhæng, førte til generering af en rumlig intensitetsmodulation. Forskerholdet har således demonstreret konceptets levedygtighed, hvilket kan føre til yderligere eksperimenter rettet mod måling af jordens gravitationsfelt, påvisning af gravitationsbølger, og en test af Einsteins ækvivalensprincip.

Endnu flere målinger vil være mulige, når MAIUS-2 og MAIUS-3 lanceres

I den nærmeste fremtid, holdet ønsker at gå videre og undersøge muligheden for højpræcisions atominterferometri for at teste Einsteins ækvivalensprincip. Yderligere to raketopsendelser, MAIUS-2 og MAIUS-3, er planlagt til 2022 og 2023, og på disse missioner har holdet også til hensigt at bruge kaliumatomer, ud over rubidium atomer, at producere interferensmønstre. Ved at sammenligne accelerationen af ​​frit fald af de to typer atomer, en test af ækvivalensprincippet med hidtil uopnåelig præcision kan lettes. "At udføre denne form for eksperiment ville være et fremtidigt mål på satellitter eller den internationale rumstation ISS, muligvis inden for BECCAL, Bose Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory, som i øjeblikket er i planlægningsfasen. I dette tilfælde, den opnåelige nøjagtighed ville ikke være begrænset af den begrænsede fritfaldstid ombord på en raket, " forklarede Dr. André Wenzlawski, medlem af Windpassingers forskningsgruppe på JGU, som er direkte involveret i opsendelsesmissionerne.

Eksperimentet er et eksempel på det meget aktive forskningsfelt af kvanteteknologier, som også omfatter udvikling inden for kvantekommunikation, kvantesensorer, og kvanteberegning.

MAIUS-1 sonderende raketmission blev implementeret som et fælles projekt, der involverede Leibniz Universitet Hannover, universitetet i Bremen, Johannes Gutenberg University Mainz, Universität Hamburg, Humboldt-Universität i Berlin, Ferdinand-Braun-instituttet i Berlin, og German Aerospace Center (DLR). Finansieringen af ​​projektet blev arrangeret af Rumadministrationen af ​​det tyske luft- og rumfartscenter, og midlerne blev stillet til rådighed af det tyske forbundsministerium for økonomiske anliggender og energi på grundlag af en resolution fra den tyske forbundsdag.