Bose-Einstein-Kondensate entstehen, wenn Atome auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Ein großer Teil der Atome nimmt dann denselben quantenmechanischen Zustand ein und verhält sich wie eine gemeinsame Materiewelle. Mischungen aus zwei unterschiedlichen Atomarten eröffnen zusätzliche Forschungsperspektiven, da sich sowohl ihre gegenseitigen Wechselwirkungen als auch ihr Verhalten unter dem Einfluss der Schwerkraft untersuchen lassen.
Kompakte Quantengasquelle für die Schwerelosigkeit
Für die Experimente nutzte das Forschungsteam die vollständig integrierte MAIUS-B-Apparatur, die ursprünglich für den Einsatz auf einer Höhenforschungsrakete entwickelt wurde. Auf einem Atomchip werden zunächst Rubidiumatome durch Mikrowellenverdampfung gekühlt. Die Kaliumatome kühlen sich anschließend durch Stöße mit den Rubidiumatomen ab. Auf diese Weise kann das System innerhalb von nur 2,3 Sekunden eine Mischung aus zwei Bose-Einstein-Kondensaten erzeugen – schnell genug für die etwa vier Sekunden dauernde Mikrogravitationsphase des Einstein-Elevators.
Nach Angaben der Forschenden erreicht die kompakte Quelle den bislang höchsten Erzeugungsfluss für eine solche BEC-Mischung. Im Vergleich zu bisherigen mobilen und kompakten Experimenten kann sie innerhalb derselben Zeit etwa eine Größenordnung mehr kondensierte Atome bereitstellen. Die höheren Atomzahlen gehen zugleich mit stärkeren und damit besser messbaren Wechselwirkungseffekten einher, sodass sich die Dynamik der beiden Quantengase detaillierter untersuchen lässt. Damit erfüllt die Apparatur wichtige Voraussetzungen für zukünftige Quantengasexperimente auf mobilen Plattformen und im Weltraum. Viele der für MAIUS-B entwickelten und im Einstein-Elevator erprobten Methoden sollen künftig auch in BECCAL (Bose-Einstein Condensate and Cold Atom Laboratory) eingesetzt werden, einem gemeinsam von DLR und NASA entwickelten Quantengasexperiment für die Internationale Raumstation.
Kontrollierter Übergang in den freien Fall
Eine besondere Herausforderung besteht darin, die Atome möglichst störungsfrei aus ihrer magnetischen Falle freizusetzen. Die Magnetfelder des Atomchips und der äußeren Spulen verschwinden beim Abschalten nicht sofort. Dadurch können Kalium und Rubidium einen unterschiedlich starken Impuls erhalten und sich bereits zu Beginn des freien Falls voneinander entfernen.
Das Team nutzte deshalb ein gezieltes Abschaltprotokoll, bei dem Atomchip und Magnetspulen mit einem genau gewählten zeitlichen Abstand ausgeschaltet werden. Dadurch lässt sich die relative Geschwindigkeit der beiden Atomarten stark reduzieren. Messungen im Einstein-Elevator und bei unterschiedlichen Ausrichtungen des Experiments zur Erdschwerkraft wurden durch dreidimensionale numerische Simulationen ergänzt.
Die Aufnahmen zeigen einen deutlichen Unterschied zwischen den Bedingungen auf der Erde und in Schwerelosigkeit. Unter dem Einfluss der Erdschwerkraft führt die Kombination aus gravitationsbedingter Verschiebung und gegenseitiger Abstoßung zu einer räumlichen Trennung der beiden Kondensate. In Mikrogravitation überlappen die Atomwolken dagegen nach ihrer Freisetzung. Werden die verbleibenden magnetischen Kräfte minimiert, lässt sich somit gezielt untersuchen, wie allein die Wechselwirkungen zwischen den beiden Quantengasen ihre Dynamik bestimmen.
Grundlage für zukünftige Präzisionsexperimente
Die Ergebnisse schaffen eine Grundlage für Experimente mit wechselwirkenden Quantengasen unter Mikrogravitation. Dazu gehören Untersuchungen neuartiger Materiezustände wie Quantentröpfchen, die Erzeugung ultrakalter Moleküle sowie Präzisionstests des Äquivalenzprinzips. Bei solchen Tests kann mit unterschiedlichen Atomarten überprüft werden, ob verschiedene Formen von Materie im Gravitationsfeld tatsächlich identisch fallen – ein wichtiger Grundpfeiler der Einstein’schen Relativitätstheorie.
Die Arbeit entstand im Rahmen des Verbunds QUANTUS IV–MAIUS und wurde insbesondere durch die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR sowie den Exzellenzcluster QuantumFrontiers unterstützt.
Publikation
Piest, B., Böhm, J., Estrampes, T., Guggilam, P. et al. Apparatus for quantum-mixture research in microgravity. Nature Communications 17, 7573 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-75968-9
