Chinesische Wissenschaftler kühlen Atome auf rekordtiefe Temperatur auf Tiangong-Station

Wissenschaftler an Bord der chinesischen Tiangong-Station haben ein Gas aus Rubidium-Atomen auf 9,7 Pikokelvin abgekühlt, die niedrigste jemals künstlich erreichte Temperatur, laut in der Zeitschrift Science am 5. November veröffentlichten Ergebnissen. Ein Pikokelvin ist ein Billionstel eines Kelvin. Die gemessene Temperatur ist eine "äquivalente Temperatur", die durch Messung der Ausdehnungsgeschwindigkeit der Atomwolke erhalten wird, indem sie in kinetische Energie umgewandelt und als Temperatur ausgedrückt wird. Die Unsicherheit beträgt +3,2/−2,7 Pikokelvin.

Das Experiment

Ein gemeinsames Forschungsteam, das die Peking-Universität in Peking und das Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften umfasst, führte die Arbeit mit der Cold Atom Physics Research Facility (CAPR) durch, die im Mengtian-Experimentmodul von Tiangong installiert ist. Das Kernmodul von Tiangong, Tianhe, wurde im April 2021 gestartet, und das Mengtian-Experimentmodul im Oktober 2022.

Das Team kühlte zunächst etwa 23.000 Rubidium-87-Atome in einer optischen Falle, in der zwei Laserstrahlen sich kreuzen, ab, indem es sie durch Verdampfungskühlung auf 3,1 Nanokelvin brachte. Etwa 89 % aller Atome kondensierten in denselben Quantenzustand. Die Atome wurden dann in eine zweite optische Falle überführt, die sie in einem größeren Bereich einsperrt, und ein zweistufiger Kühlprozess wurde durchgeführt, indem die Fallenstärke über etwa 1,175 Sekunden schrittweise verringert wurde, um die Atomwolke langsam expandieren zu lassen. Die Analyse der sich frei ausdehnenden Atome ergab die äquivalente Temperatur von 9,7 Pikokelvin. Der ultrakalte Zustand und die lange freie Ausdehnungszeit sollen die Präzision von Atominterferometern verbessern, die winzige Gravitationsfelder und Beschleunigungen unter Verwendung der Materiewelleninterferenz von Atomen messen.

Vergleich mit früheren Rekorde

Dieser Rekord liegt etwa viermal niedriger als die vorherige minimale äquivalente Temperatur von 38 Pikokelvin, die in der Mikrogravitationsumgebung eines Fallturms auf der Erde erreicht wurde, und etwa fünfmal niedriger als die 52 Pikokelvin, die vom Cold Atom Laboratory (CAL) auf der Internationalen Raumstation (ISS) aufgezeichnet wurden. In Fallturmexperimenten wurde die freie Ausdehnung von Atomwolken für etwa 2 Sekunden beobachtet, während in der neuen Studie die sich frei ausdehnende Atomwolke 7 Sekunden lang beobachtet wurde.

Wissenschaftlicher Kontext

Wenn Atome auf ultrakalte Temperaturen abgekühlt werden, teilen mehrere Atome einen einzigen Quantenzustand und verhalten sich kollektiv, ein Phänomen, das als Bose-Einstein-Kondensation (BEC) bekannt ist. Dies ermöglicht Quantensimulation, Präzisionsmessung und Experimente, die die Beziehung zwischen Gravitation und Quantenmechanik testen. Auf der Erde zieht die Gravitation ultrakalte Atome nach unten, was die Forscher zwingt, sie fest zu halten und die Zeit zu verkürzen, in der sie beobachtet werden können. Im Orbit können die Atome frei schweben, was den Weltraum zum idealen Labor für solche Experimente macht.

Das Forschungsteam ist der Ansicht, dass die Ergebnisse in Zukunft genutzt werden können, um fundamentale physikalische Gesetze, wie das Äquivalenzprinzip, mit größerer Präzision im Weltraum zu testen. Das Äquivalenzprinzip ist ein wichtiger Aspekt von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie und besagt, dass alle Objekte unter der Wirkung der Gravitation auf die gleiche Weise fallen, unabhängig von Masse oder Zusammensetzung. Unter Verwendung eines Atominterferometers, das auf ultrakalten Atomen basiert, ist es möglich, minimale Unterschiede in den Fallgeschwindigkeiten verschiedener Arten von Atomen präzise zu messen. Darüber hinaus erwarten die Forscher, dass ihre Errungenschaft genutzt wird, um neue physikalische Phänomene zu erforschen oder exotische Quantenzustände zu untersuchen, die bei ultraniedrigen Temperaturen auftreten.

Warum es wichtig ist

• Die Messung von 9,7 Pikokelvin ist die niedrigste jemals künstlich erreichte Temperatur, laut DongA Science.
• Das Experiment verwendete ausschließlich Laser, um die Atome einzufangen, im Gegensatz zu früheren Weltraumexperimenten, die auf Magneten angewiesen waren.
• Die sich frei ausdehnende Atomwolke wurde 7 Sekunden lang beobachtet, länger als die 2 Sekunden in Fallturmexperimenten und etwa eine Sekunde an Bord der ISS.
• Forscher sagen, die Ergebnisse könnten Atominterferometer zur Messung von Gravitationsfeldern und zum Testen des Äquivalenzprinzips im Weltraum verbessern.

Quellen (auf Englisch)

• sciencenews.org: Record-low temperature created on China’s space station
• scmp.com: Chinese scientists chill atoms to record low on Tiangong space station | South China Morning Post
• dongascience.com: China’s Tiangong Space Station Achieves Record 9.7 Picokelvin Atomic Gas - DongA Science

KI-Übersetzung des englischen Originalartikels, automatisch geprüft, damit sie dasselbe aussagt wie das Original. Die Quellen wurden auf Englisch geprüft.