Auf der chinesischen Raumstation Tiangong haben Forschende eine Wolke aus Rubidiumatomen auf eine äquivalente Temperatur von 9,7 Pikokelvin abgekühlt. Das entspricht 9,7 Billionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt und liegt mit dem zentralen Messwert knapp beim Viertel des bisherigen Rekords von 38 Pikokelvin. Möglich wurde der neue Wert durch eine optische Dipolfalle und die Mikrogravitation im Orbit. Für künftige Experimente könnte jedoch vor allem zählen, dass die Atomwolke sieben Sekunden lang frei expandierte und beobachtet werden konnte.
Der Versuch lief im Cold Atom Physics Rack, einem Kaltatom-Physik-Experimentierschrank im Mengtian-Modul der chinesischen Raumstation. Ein Team um Wissenschaftler der Peking University und des Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kühlte dort eine Atomwolke aus Rubidium ab und erzeugte daraus ein Bose-Einstein-Kondensat. Die Ergebnisse erschienen am 5. November 2026 im Fachjournal Science. Die Originalarbeit beschreibt damit erstmals ein Bose-Einstein-Kondensat in einer optischen Dipolfalle unter Mikrogravitation.
Entscheidend ist dabei die Bedeutung des Wortes Temperatur. Die Forschenden haben keinen Gegenstand mit einem Thermometer auf diesen Wert gebracht. Sie bestimmten eine äquivalente Temperatur aus der Bewegung der Atome und daraus, wie schnell sich die freigesetzte Wolke ausdehnt. Je geringer diese Ausbreitungsgeschwindigkeit ist, desto kleiner ist die Bewegungsenergie und desto niedriger fällt die äquivalente Temperatur aus. Der Wert beschreibt deshalb den Bewegungszustand eines ultrakalten Quantengases und keine gewöhnliche Gleichgewichtstemperatur wie bei Wasser oder Luft.
Ein Pikokelvin entspricht einem Billionstel Kelvin. Der neue zentrale Messwert liegt damit nur 9,7 Billionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt bei minus 273,15 Grad Celsius. In dieser Größenordnung wird die thermische Bewegung der Atome so gering, dass quantenmechanische Eigenschaften des gesamten Gases in den Vordergrund treten. Der Zahlenwert ist rund 3,9-mal kleiner als der bisherige Rekord von 38 Pikokelvin. Diesen Bestwert erzielte 2021 die Gruppe um Ernst Rasel von der Leibniz Universität Hannover mit einem Bose-Einstein-Kondensat in einer magnetischen Atomchip-Falle während eines zweisekündigen freien Falls in einem Fallturm, wie die damalige Originalarbeit beschreibt.
Der Vergleich ist mehr als ein Wettlauf um eine möglichst kleine Zahl. Die äquivalente Temperatur beschreibt, wie stark sich die Atome nach dem Lösen aus der Falle noch auseinanderbewegen. Ein niedriger Wert bedeutet, dass die Wolke langsamer expandiert und länger messbar bleibt. Der angegebene Fehlerbereich von 7,0 bis 12,9 Pikokelvin macht deutlich, dass 9,7 Pikokelvin ein experimenteller Zentralwert und keine beliebig exakt feststehende Zahl ist.
Auf der Erde begrenzt die Schwerkraft, wie schwach Forschende eine Atomwolke festhalten können. Wird die Falle zu flach, zieht die Gravitation die Atome nach unten und die Wolke verliert ihre kontrollierte Form. Eine stärkere Falle hält sie zwar fest, bringt aber zusätzliche Bewegungsenergie und erschwert damit die weitere Abkühlung. Im Orbit befinden sich Gerät und Atome dagegen im dauernden freien Fall um die Erde. Diese Mikrogravitation lässt eine wesentlich schwächere Bindung zu und verlängert zugleich die Zeit, in der die freigesetzte Wolke untersucht werden kann. Für gewöhnliche bodengebundene Aufbauten nennt die Peking University ein Beobachtungsfenster von etwa 0,05 Sekunden. Bei früheren Experimenten auf der ISS lag es ungefähr bei einer Sekunde; im Bremer Fallturm waren beim 38-Pikokelvin-Rekord zwei Sekunden möglich.
Das Experiment verwendete eine optische Dipolfalle. Fokussierte Laserstrahlen erzeugen dabei ein elektrisches Feld, das auf neutrale Atome eine Dipolkraft ausübt und sie in einem begrenzten Bereich hält. Die Forschenden nutzten zwei ineinanderliegende optische Fallen mit Abmessungen von 54 und 124 Mikrometern. In der engeren Falle wurden die Atome zunächst gesammelt; anschließend wurde die Laserleistung reduziert, sodass die energiereicheren Teilchen entweichen konnten.
Dieses Verfahren heißt Verdampfungskühlung. Es ähnelt dem Abkühlen einer Flüssigkeit, aus der bevorzugt die schnellsten Teilchen entweichen: Die zurückbleibende Gruppe hat anschließend eine niedrigere mittlere Energie. Am Ende der Kühlphase blieben rund 20.000 Atome übrig, die ein Bose-Einstein-Kondensat bildeten. Die optische Falle blieb das zentrale Bindungs- und Kontrollsystem und unterschied den Aufbau von den früheren magnetischen Fallen.
Danach überführten die Wissenschaftler das Kondensat in die größere der beiden optischen Fallen. Der zusätzliche Raum verringerte die mechanische und die Wechselwirkungsenergie der Atomwolke. Eine anschließende nicht-adiabatische Expansion senkte die Ausbreitungsgeschwindigkeit weiter. Nach Angaben der Peking University bewegten sich die Atome dabei mit weniger als 100 Mikrometern pro Sekunde. Aus der gemessenen Ausdehnung der Wolke bestimmten die Forschenden schließlich den zentralen Wert.
Die optische Methode bietet auch über die Temperatur hinaus einen Vorteil. Nach Angaben des Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics lässt sie sich im Weltraum mit mehreren Laserstrahlen präzise steuern und ist weniger empfindlich gegenüber magnetischen Störungen. Das erleichtert ihre Nutzung für verschiedene Quantensimulationen.
Nach dem Lösen aus der Falle ließ sich die Atomwolke sieben Sekunden lang beobachten. Für die Präzisionsphysik zählt neben einer kalten Quelle vor allem eine lange, möglichst störungsarme Entwicklungszeit. Während der freien Expansion können Forschende verfolgen, wie sich die Materiewelle verändert. Je länger dieser Zeitraum dauert, desto empfindlicher lassen sich kleine Effekte erfassen, sofern Kohärenz erhalten bleibt und Störungen kontrolliert werden.
Ernst Rasel, dessen Team 2021 den vorherigen Rekord erzielt hatte, gratulierte den chinesischen Forschenden. Holger Müller von der University of California, Berkeley, bewertete in der Science-Berichterstattung die sieben Sekunden sogar als wichtigeren Fortschritt als den Temperaturwert von rund zehn Pikokelvin. Eine Atomwolke über mehrere Sekunden frei und kontrolliert zu beobachten, ist auf der Erde wegen der Schwerkraft wesentlich schwieriger.
Ein Atominterferometer nutzt Atome als Materiewellen. Laserimpulse teilen eine Atomwolke in zwei quantenmechanische Teilwellen, die unterschiedliche Wege nehmen und anschließend wieder zusammengeführt werden. Schon kleine Unterschiede in Beschleunigung oder Gravitation verändern die Phase der Wellen und damit das entstehende Interferenzmuster. Längere Entwicklungszeiten machen solche Unterschiede empfindlicher messbar; bei idealisierten Atominterferometern steigt die Empfindlichkeit häufig ungefähr mit dem Quadrat der freien Messzeit.
Die sieben Sekunden sind allerdings noch kein fertiger Nachweis des Äquivalenzprinzips. Dieses Grundprinzip der Relativitätstheorie besagt, dass Körper im Vakuum unabhängig von ihrer Masse und Zusammensetzung gleich beschleunigt werden. Ein künftiges Weltraum-Atominterferometer könnte unterschiedliche Atomsorten vergleichen und nach winzigen Abweichungen suchen. Die aktuelle Arbeit hat jedoch zunächst eine ultrakalte Atomquelle und eine lange freie Expansion demonstriert. Ein solcher Test der Gravitation wurde damit noch nicht durchgeführt. Die Forschenden haben also eine Voraussetzung für empfindlichere Experimente geschaffen, nicht bereits eine neue Abweichung von Einsteins Theorie entdeckt.
Ein Bose-Einstein-Kondensat entsteht, wenn bosonische Atome so stark abgekühlt werden, dass sich viele von ihnen im selben quantenmechanischen Zustand befinden. Ihre Materiewellen überlagern sich dann zu einer gemeinsamen makroskopischen Wellenfunktion. Das Gas verhält sich dadurch nicht mehr wie eine Ansammlung voneinander unabhängiger klassischer Teilchen. Stattdessen werden kollektive Quanteneigenschaften auf einer größeren, experimentell zugänglichen Skala sichtbar. Rubidium eignet sich für solche Versuche, weil seine Atome Bosonen sind und sich mit Laserlicht und geeigneten Fallen kontrollieren lassen.
Der Zustand ist weder ein gewöhnlicher Festkörper noch eine Flüssigkeit, die lediglich sehr kalt geworden ist. Seine gemeinsame quantenmechanische Beschreibung macht kollektive Phasen und Wechselwirkungen zugänglich. Auch andere Experimente nutzen solche Kondensate als Modellmaterie: Ein Lithium-Kondensat diente beispielsweise dazu, eine bewegte Lichtbarriere und Eigenschaften eines künstlichen Ereignishorizonts zu untersuchen. Die Tiangong-Anlage erweitert solche Möglichkeiten um Experimente unter Mikrogravitation.
Bei der Quantensimulation bilden ultrakalte Atome ein kontrollierbares Modell für komplexe Materialien. Laser können dafür ein regelmäßiges optisches Gitter erzeugen, in dem die Atome ähnliche Rollen übernehmen wie Elektronen in einem Kristall. Durch Veränderungen des Gitters und der Wechselwirkungen lassen sich unterschiedliche Materiezustände nachbilden. Die Autoren nennen exotische Quantenphasen und das Verhalten von Quantengasen als mögliche Forschungsfelder. Diese Anwendungen sind Ziele weiterer Experimente; die aktuelle Arbeit belegt zunächst die Herstellung und Beobachtung des Kondensats.
Neben der Quantensimulation stehen Atominterferometer und Quantensensoren im Mittelpunkt. Ultrakalte Atome reagieren empfindlich auf Beschleunigungen und Änderungen des Gravitationsfeldes. Im Orbit könnten solche Instrumente langfristig die Erdgravitation genauer vermessen oder Trägheitsbewegungen für die Navigation erfassen. Ein einsatzfähiges Navigationsgerät ist damit noch nicht demonstriert: Der Kälterekord verbessert eine experimentelle Ausgangslage, ersetzt aber nicht die Entwicklung und Prüfung eines vollständigen Sensors.
Auch präzisere Atomuhren gehören zu den möglichen Anwendungen kalter Atomensembles. In einer Atomuhr dient ein genau definierter Übergang zwischen zwei Energiezuständen als Taktgeber. Bewegungsbedingte Frequenzverschiebungen können die Messung begrenzen; eine kontrollierte Atomquelle kann helfen, solche Einflüsse zu verringern. Tiangong hat damit noch keine Atomuhr oder neue Sekundendefinition demonstriert. Die Entwicklung immer genauerer Zeitmessung zeigt etwa eine optische Atomuhr, deren Unsicherheit bereits heute extrem klein ist.
Der technische Aufwand für das Experiment war erheblich. Das ursprüngliche Bodensystem nahm nach Angaben des Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics etwa 20 Kubikmeter ein und wog rund zehn Tonnen. Für den Einsatz im Orbit musste die Anlage auf ungefähr 0,7 Kubikmeter und eine Masse von rund 500 Kilogramm verkleinert werden. In dem kompakten Experimentierschrank arbeiten Laser, Präzisionsoptiken, ein Ultrahochvakuumsystem und automatisierte Steuerungen zusammen. Die Anlage wurde 2022 mit dem Mengtian-Modul zur Tiangong-Station gebracht und ist für einen langfristigen Betrieb im Orbit ausgelegt.
Für ein Weltrauminterferometer müssten die Atome künftig kohärent aufgeteilt, über längere Zeit getrennt gehalten und anschließend wieder zusammengeführt werden. Verstellbare Fallen könnten größere Atomzahlen ermöglichen; optische Gitter würden weitere Quantensimulationen erlauben. Erst die Integration dieser Schritte in ein vollständiges Instrument könnte aus dem langen Beobachtungsfenster einen konkreten Präzisionsvorteil machen.
Titelbild: Computergrafik der Raumstation Tiangong von Shujianyang, Wikimedia Commons, Lizenz CC BY-SA 4.0, zugeschnitten.
Wei Xiong et al., Science, „Quantum gases below 10 picokelvin in space“; doi:10.1126/science.aea5324
School of Electronics, Peking University, „电子学院周小计、陈徐宗团队在中国空间站获得低于10皮开尔文的超冷量子气体，成果发表于《科学》期刊“
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, „中国科学家打破人类低温纪录“
Christian Deppner et al., Physical Review Letters, „Collective-mode enhanced matter-wave optics“; doi:10.1103/PhysRevLett.127.100401
Mit KI-Unterstützung erstellt
Wählen Sie Forschung und Wissen bei Google als bevorzugte Quelle oder folgen Sie uns per RSS-Feed.
