Forschende ebnen Weg für Quantenchemie im Weltraum

Grundlage sind Experimente im Cold Atom Lab der NASA an Bord der Internationalen Raumstation

17.11.2023

Blick aus der Internationalen Raumstation auf die Kapsel, die das Cold Atom Lab zur ISS brachte

NASA/JPL-Caltech

Zum ersten Mal haben Forschende im Weltraum eine Mischung aus zwei Quantengasen hergestellt, die aus zwei Arten von Atomen bestehen. Sie nutzten dafür das ferngesteuerte Cold Atom Lab der NASA an Bord der Internationalen Raumstation. Der Erfolg ist ein weiterer Schritt auf dem Weg, die bisher nur auf der Erde verfügbaren Quantentechnologien ins All zu bringen. Physiker der Leibniz Universität Hannover (LUH) lieferten im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Professor Nicholas Bigelow von der Universität Rochester die dafür notwendigen theoretischen Berechnungen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift Nature.

Die Forschungsergebnisse machen es nun möglich, nicht nur die Quanteneigenschaften einzelner Atomsorten zu untersuchen, sondern auch die Quantenchemie, die sich damit befasst, wie Isotope verschiedener Elemente miteinander interagieren und sich in einem Quantenzustand verbinden. Forschende können mit dem Cold Atom Lab jetzt eine breitere Palette von Experimenten durchführen und feiner ermitteln, wie sie unter Bedingungen der Mikrogravitation, also annähernder Schwerelosigkeit ablaufen.

Quantenchemie

Die physikalische Welt um uns herum beruht darauf, dass Atome und Moleküle nach festen Regeln miteinander verbunden bleiben. Diese Regeln können jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt sein – abhängig von der Umgebung, in der sich die Atome und Moleküle befinden, beispielsweise in Schwerelosigkeit. Mit dem Cold Atom Lab können Szenarien erforscht werden, in denen die Quantennatur der Atome ihr Verhalten dominiert. Das kann bedeuten, dass sich Atome und Moleküle nicht mehr wie feste Kugeln, sondern eher wie Wellen verhalten.

Kontrolle der molekularen Händigkeit mit Hilfe von Licht

Relevant könnte das neue Verfahren vor allem für die künstliche Herstellung von Stoffverbindungen sein

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In einem dieser Szenarien können die Atome in zwei- oder dreiatomigen Molekülen zwar aneinander gebunden bleiben, sich aber immer weiter voneinander entfernen, fast so, als würden sich die Moleküle aufplustern. Um diese Zustände zu untersuchen, müssen zunächst die Atome verlangsamt werden. Dazu werden sie auf Bruchteile eines Grades über der niedrigsten Temperatur abgekühlt, die Materie erreichen kann und die weit kälter ist als alles, was im natürlichen Universum vorkommt: der absolute Nullpunkt oder minus 273 Grad Celsius.

Auf der Erde konnten diese aufgeplusterten Moleküle in Experimenten mit ultrakalten Atomen bereits erzeugt werden, sie sind jedoch extrem fragil und brechen entweder schnell auseinander oder kollabieren wieder in einen normalen molekularen Zustand. Aus diesem Grund sind vergrößerte Moleküle mit drei Atomen noch nie direkt abgebildet worden. In Mikrogravitation können die empfindlichen Moleküle länger existieren und möglicherweise größer werden. Entsprechende Versuche sind nun mit dem Cold Atom Lab möglich.

Eine der großen Fragen der Physik

"Wir haben jetzt zum Beispiel völlig neue Möglichkeiten, das Äquivalenzprinzip von Einstein zu testen, eine der grundlegendsten Annahmen der Physik", sagt Naceur Gaaloul vom Institut für Quantenoptik der LUH und Mitautor der neuen Studie. Das berühmte Prinzip besagt, dass die Schwerkraft auf alle Objekte unabhängig von ihrer Masse gleich wirkt. Physiklehrerinnen und -lehrer demonstrieren dieses Prinzip häufig, indem sie eine Feder und einen Hammer in eine versiegelte Vakuumkammer legen und zeigen, dass die beiden Objekte bei fehlender Luftreibung gleich schnell fallen.

Das Äquivalenzprinzip ist Teil von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, dem Rückgrat der modernen Gravitationsphysik, die beschreibt, wie sich große Objekte, wie Planeten und Galaxien, verhalten. Eine der großen Frage der modernen Physik ist jedoch, warum die Gesetze der Schwerkraft nicht mit den Gesetzen der Quantenphysik übereinzustimmen scheinen, die das Verhalten kleiner Objekte wie Atome beschreiben. Beide Bereiche haben sich in ihrem jeweiligen Größenbereich immer wieder als richtig erwiesen, bisher konnten sie aber nicht zu einer einzigen Beschreibung des Universums als Ganzes vereint werden.

Weltführend in ultrakalter Quantenphysik

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover gehören zu den international führenden Expertinnen und Experten in der Quantenforschung bei extrem tiefen Temperaturen - sowohl auf der Erde als auch im Weltraum. So entwickelt die Topical Group "Cold Atoms in Space" des Exzellenzclusters QuantumFrontiers neue Ideen für die fundamentale Quantenphysik. An den Anlagen Very Long Baseline Atom Interferometer und Einstein Elevator sind ultrakalte Atome das zentrale Element für bahnbrechende Experimente in der Atomoptik mit Anwendungen in der hochgenauen absoluten Gravimetrie und Tests der fundamentalen Physik.

Derzeit laufen auch die Vorbereitungen für den Start der Raketenmission MAIUS-2, die die Erzeugung von Mischungen von Quantengasen im Weltraum untersuchen wird und deren Ergebnisse die Grundlage für ehrgeizige Interferometrie-Missionen zusammen mit der NASA auf der Internationalen Raumstation ab 2027 bilden werden.