QUANTUS - Quantengase unter Schwerelosigkeit

Um fallende Körper im Vakuum besonders genau beobachten zu können, machen die Experimente der QUANTUS-Gruppe sich die Welleneigenschaften von Materie zunutze. Diese ermöglichen es, fallende Körper besonders genau zu beobachten, ohne dabei viel von außen auf die Körper einwirken zu müssen - denn jede Einwirkung würde die Messungen bedeutend ungenauer machen. Die Beobachtung findet in sogenannten Atominterferometern statt. Ein Atominterferometer funktioniert ganz grundlegend erstmal wie zum Beispiel das vermutlich  aus dem Physikunterricht bekannte Michelson-Interferometer: Auch hier wird das Interferenzmuster von Wellen und seine Veränderung unter bestimmten Einflüssen beobachtet. 

In Atominterferometern werden Materiewellen verwendet, die sich Bose-Einstein-Kondensate nennen. Sie entstehen, wenn ein Gas sehr nah an den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wird. Die Atome bewegen sich in diesem Zustand kaum, sodass ihre Welleneigenschaft in den Vordergrund tritt. 

Vergleicht man nun die Interferenzmuster zweier Bose-Einstein-Kondensate verschiedener Stoffe, während diese sich im freien Fall befinden, so kann man Rückschlüsse auf deren Fallverhalten im Vergleich zueinander ziehen. Damit soll unter anderem die Gültigkeit des oben genannten Äquivalenzprinzips untersucht werden. Die Genauigkeit solcher Experimente steigt mit der Fallzeit. In den Höhenforschungsraketen der MAIUS Mission befindet sich das Experiment schon ca. 6 Minuten im freien Fall - ein bedeutender Unterschied zu den wenigen Sekunden, die die QUANTUS-Experimente im Fallturm Bremen erfahren. Für die Apparatur, die bei BECCAL auf die ISS geschickt werden soll, wäre die Fallzeit nochmals sehr viel höher, denn die ISS fällt gewissermaßen dauerhaft um die Erde herum. 

Zum Kühlen der Bose-Einstein-Kondensaten werden unter anderem sogenannte magneto-optische Fallen (MOTs) eingesetzt. Diese entstehen aus der Überlagerung eines speziell konfigurierten Magnetfeldes mit Laserlicht, die das Elementgas gemeinsam sowohl zentrieren als auch abkühlen.

In der QUANTUS-Kollaboration werden typischerweise zwei MOTs an ein Reservoir des verwendeten Stoffes angehängt. Dieser wird dann verdampft und gelangt zunächst in die 2D-MOT, in der er von zwei Seiten mittels verschiedener Methoden gekühlt wird, sodass ein Atomstrahl entsteht. Dieser Atomstrahl wird in der 3D-MOT schließlich von allen Seiten weiter abgekühlt.

Die MOTs bedienen sich unter anderem dem Verfahren der Laserkühlung, das hier sehr verständlich erklärt ist. Dieses ist allerdings an das sogenannte Dopplerlimit gebunden, kann also nicht bis unter einen bestimmten Punkt kühlen. Auf die MOTs folgen daher Magnetfallen, in denen schließlich durch evaporatives Kühlen ein Bose-Einstein-Kondensat erzeugt wird.

Für diese Verfahren, sowie zur Detektion des Interferenzmusters wird Laserlicht benötigt. Der Umgang mit und die Konstruktion von Lasern ist daher ein großer Teil der Arbeit am Institut für Quantenoptik. 

Bei "QUANTUS" ist an vielen Stellen Deine Hilfe gefragt. Nach dem erfolgreichen Start der MAIUS I Rakete im Januar 2017 wird nun an der nächsten Payload für die MAIUS Mission gearbeitet, die sowohl Rubidium als auch Kalium Bose-Einstein-Kondensate erstellen soll. Dabei kannst Du am Aufbau des Atominterferometers mitwirken und das Testen derselben z.B. durch den Bau eines Lasers unterstützen. Zudem wird in der zweiten Hälfte dieses Jahres mit der Konstruktion des BECCAL-Aufbaus begonnen. Hier ist eine ruhige Hand gefragt!

Dazu kommen viele weitere Aufgaben, von der Planung und Herstellung elektronischer Geräte, die die Forschung unterstützen, bis hin zur Durchführung eigener Messungen.