(Bildnachweis: NASA)
Wissenschaftler des Cold Atom Lab (CAL) der NASA an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) haben bekannt gegeben, dass sie zum ersten Mal erfolgreich hochpräzise Messungen mit einem Quantensensor auf der Basis von ultrakalten Rubidium-Atomen durchgeführt haben – ein bedeutender Erfolg mit weitreichenden Anwendungsmöglichkeiten, denn diese Sensoren könnten herkömmliche Sensoren in Bezug auf Empfindlichkeit und Genauigkeit übertreffen und so Fortschritte in Bereichen wie GPS-Technologie und Telekommunikation ermöglichen.
Darüber hinaus würden funktionierende Versionen dieser Sensoren neue Möglichkeiten für wissenschaftliche Entdeckungen durch die Untersuchung von Quantenphänomenen bieten, die die Grenzen der Grundlagenphysik testen – und vielleicht sogar über Theorien wie die allgemeine Relativitätstheorie und das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen. Wenn dies der Fall ist, würde dies zweifellos auch zu einer Revolution in der – Weltraumforschung führen.
„Das Erreichen dieses Meilensteins war eine unglaubliche Herausforderung, und unser Erfolg war nicht immer selbstverständlich“, sagte Jason Williams, der Projektwissenschaftler des Cold Atom Lab am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien, in einer Erklärung. „Das Team musste mit Hingabe und Abenteuerlust an die Sache herangehen, um dies zu erreichen.“
Im Grunde konnten die CAL-Forscher die subtilen Schwingungen der ISS selbst messen, indem sie ein so genanntes Atominterferometer einsetzten – eine der fortschrittlichsten Technologien zur Durchführung hochpräziser Messungen. Die Technik basiert auf denselben Prinzipien wie die optische Interferometrie, bei der Licht in zwei Strahlen aufgeteilt wird, die sich auf unterschiedlichen optischen Pfaden bewegen, bevor sie kombiniert werden und Interferenzen erzeugen. Die Unterschiede zwischen den Strahlengängen ermöglichen eine äußerst präzise Erkennung von Veränderungen in der Umgebung.
Cold Atom Lab Fluginstrument in Betrieb an Bord des Destiny-Moduls in der Internationalen Raumstation. (Bildnachweis: NASA)
Anstelle von Licht werden bei der Atominterferometrie jedoch Atome verwendet, die auf nahezu den absoluten Nullpunkt (-459 Grad Fahrenheit oder -273 Grad Celsius) abgekühlt sind, und deren Fähigkeit, aufgrund von Quanteneffekten, die bei dieser ultrakalten Temperatur zum Tragen kommen, mehrere Positionen und Bewegungen gleichzeitig einzunehmen, ausgenutzt.
Wenn sich Atome durch ein Interferometer bewegen, erzeugen sie Muster, sogenannte Streifen, die Informationen über Kräfte wie die Schwerkraft oder andere Umwelteinflüsse enthalten. Und da sich Atome viel langsamer bewegen als Licht, werden sie von diesen Kräften länger beeinflusst, was sehr präzise Messungen ermöglicht, die viel empfindlicher sind als ihre optischen Gegenstücke.
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Auf der Erde haben Atominterferometer den Wissenschaftlern unglaubliche Leistungen ermöglicht, wie z. B. den Bau von absoluten Gravimetern und die Untersuchung von Veränderungen der fundamentalen Naturkonstanten mit verblüffender Genauigkeit. Die Physiker sind jedoch bestrebt, die Atominterferometrie im Weltraum anzuwenden, wo die Mikrogravitation dazu beiträgt, Interferenzen zu beseitigen, und es den Wissenschaftlern ermöglicht, noch längere Messungen durchzuführen, was wiederum die Empfindlichkeit des Instruments insgesamt verbessern würde. In der Vergangenheit war es jedoch eine Herausforderung, die Kohärenz zwischen den Atomen aufrechtzuerhalten, und die Durchführung von Experimenten erforderte praktische Hilfe.
Doch die CAL-Wissenschaftler konnten ihre Messungen von der Erde aus durchführen.
Das Team hofft, dass es mit der Weiterentwicklung des Instruments möglich sein wird, noch präzisere Messungen der Schwerkraft vorzunehmen, die es uns erlauben würden, unseren Kosmos detaillierter als je zuvor zu erforschen und zu verstehen. „Sie könnten beispielsweise Aufschluss über die Zusammensetzung von Planeten und Monden in unserem Sonnensystem geben, da verschiedene Materialien unterschiedliche Dichten haben, die zu subtilen Schwerkraftschwankungen führen“, schreibt das NASA-Team in einer Pressemitteilung.
Diese erhöhte Empfindlichkeit könnte es den Wissenschaftlern auch ermöglichen, endlich dunkle Materie aufzuspüren, eine schwer fassbare Substanz, die aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkungen mit Teilchen und Gravitationsfeldern ein kosmisches Rätsel geblieben ist.
„Die Atominterferometrie könnte auch genutzt werden, um Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie auf neue Weise zu testen“, sagte Cass Sackett, Professor an der University of Virginia, einer der Hauptautoren des Cold Atom Lab und Mitautor der neuen Studie, in der Erklärung. „Dies ist die grundlegende Theorie, die die großräumige Struktur unseres Universums erklärt, und wir wissen, dass es Aspekte der Theorie gibt, die wir nicht richtig verstehen. Diese Technologie kann uns helfen, diese Lücken zu schließen und uns ein vollständigeres Bild von der Realität zu geben, in der wir leben.“
Es wird sicherlich spannend sein zu sehen, wohin zukünftige Experimente führen werden. „Ich erwarte, dass die weltraumgestützte Atominterferometrie zu aufregenden neuen Entdeckungen und fantastischen Quantentechnologien führen wird, die sich auf das tägliche Leben auswirken und uns in eine Quantenzukunft führen werden“, sagte Nick Bigelow, Professor an der University of Rochester in New York und Leiter des Cold Atom Lab eines Konsortiums amerikanischer und deutscher Wissenschaftler, die die Studie mitverfasst haben, in der Erklärung.
