Bose-Einstein-Kondensat Erstmals exotischer Quantenzustand im All erzeugt

Bei extrem niedrigen Temperaturen verhalten sich Atome plötzlich alle gleich. Forscher sprechen vom Bose-Einstein-Kondensat. Sie haben den ungewöhnlichen Einheitsbrei nun erstmals im All erzeugt.

Atomchip zur Kühlung von Atomen
MAIUS-Projektteam/ J. Matthias

Atomchip zur Kühlung von Atomen


Fest, flüssig und gasförmig - dass Atome ihren Zustand verändern, wenn es warm oder kalt wird, kennt man aus dem Alltag. Im Tiefkühlschrank gefriert das Wasser, im heißen Topf wird es erst flüssig und verdampft bei 100 Grad. Unter extremen Bedingungen, nimmt Materie aber noch andere, ungewöhnliche Aggregatzustände an - darunter das Bose-Einstein-Kondensat.

Forscher haben den exotischen Zustand nun erstmals auch im All fabriziert, berichtet das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

"Bose-Einstein-Kondensate entstehen, wenn ein Gas bis fast auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wird", sagt Rainer Forke vom Raumfahrtmanagement des DLR. Die eiskalten Teilchen nehmen dann alle das niedrigste Energieniveau und damit denselben quantenmechanischen Zustand an. Man kann sie dann nicht mehr unterscheiden.

Zusammenbau der Nutzlast
DLR MORABA/ T.Schleuß

Zusammenbau der Nutzlast

Laser als Bremse

Die DLR-Forscher haben eine Wolke aus Rubidium-Atomen mit einer Rakete ins All geschossen. In der sechsminütigen Phase der Schwerelosigkeit kühlten sie die Teilchen mithilfe von Lasern auf nahezu minus 273 Grad, also bis fast zum absoluten Nullpunkt ab. Das funktioniert, weil die Laser die Atome abbremsen. Je langsamer sich Atome bewegen, desto geringer ist ihre Temperatur.

Anschließend werden die Atome mithilfe eines Chips weiter aussortiert. Magnetfelder sorgen zunächst dafür, dass die Teilchen den Chip nicht verlassen können. Wird das Magnetfeld verringert, gelangen die beweglicheren Atome nach außen. Die kältesten und unbeweglichsten Teilchen bleiben in der Falle zurück. Ein Bose-Einstein-Kondensat entsteht.

Auf zur ISS

Möglich war das Experiment, weil die Forscher die benötigten Geräte so verkleinert haben, dass sie in das Nutzlastmodul der Forschungsrakete passten. Dieses ist ungefähr 2,50 Meter hoch und hat einen Durchmesser von 50 Zentimetern. "Normalerweise füllt eine solche Apparatur einen ganzen Laborraum", sagt Stephan Seidel, wissenschaftlicher Leiter des Projekts, von der Universität Hannover.

Aufbau der Nutzlast
DLR MORABA/ T.Schleuß

Aufbau der Nutzlast

Bereits 2007 hatten Wissenschaftler ein Bose-Einstein-Kondensat in der Schwerelosigkeit hergestellt. Damals aber in einem Fallturm in Bremen und nicht im Weltall.

Welches Kondensat fällt schneller im Vakuum?

Nach dem ersten Test dort soll die Technik nun häufiger im All zum Einsatz kommen. Die Nasa will ab Juni 2017 ultrakalte Quantengase auf der Internationalen Raumstation ISS untersuchen und ist am Wissen der Deutschen interessiert.

Das DLR will 2018 und 2019 neben Rubidium-Atomen auch ultrakalte Kalium-Atome herstellen und die Fallgeschwindigkeit beider Bose-Einstein-Kondensate vergleichen. Das Experiment soll zeigen, ob Einstein auch im Fall der ultrakalten Teilchen recht hatte mit seiner Theorie, dass im Vakuum alle Massen gleich schnell fallen.

Albert Einstein war es auch, der Bose-Einstein-Kondensate bereits 1924 theoretisch vorhergesagt hatte. Als Basis diente ihm die Arbeit des britisch-indischen Forschers Satyendranath Bose. Gut 70 Jahre später, 1995, stellten Forscher den Aggregatzustand erstmals im Labor her. Nun auch im Weltall.

jme

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