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Äquivalenzprinzip: Bose-Einstein-Kondensat im freien Fall

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Im freien Fall verhalten sich physikalische Systeme – zumindest lokal – wie in der Schwerelosigkeit. Dieses Äquivalenzprinzip ist eine der Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie. Albert Einstein dachte dabei an einen Experimentator in einem abgeschlossenen Fahrstuhl, für den die beiden Szenarios ununterscheidbar wären. Allerdings bezieht sich die Theorie auf makroskopische und damit klassische Objekte.

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Fallturm in Bremen | Der Fallturm des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) ist 146 Meter hoch.
Forscher um Ernst Rasel und Wolfgang Ertmer von der Leibniz Universität Hannover ließen im Fallturm in Bremen nun erstmals ein quantenmechanisches System – ein Bose-Einstein-Kondensat – in die Tiefe stürzen, um dessen Verhalten im freien Fall zu erforschen. In der Wolke aus einigen zehntausend ultrakalten Rubidiumatomen befinden sich alle Teilchen in demselben quantenmechanischen Zustand. Infolgedessen benehmen sie sich wie ein einzelnes Objekt und lassen sich durch eine einzige quantenmechanische Wellenfunktion beschreiben.

Um diesen Zustand zu erreichen, müssen die Atome bis auf wenige milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden. Außerdem sperren Physiker das Kondensat normalerweise in speziellen Atomfallen ein, damit es nicht hinunterfällt. Ertmer vergleicht das Prinzip mit einem Suppenteller, dessen Rand eine gewisse Höhe haben muss, um Suppe darin zu halten.

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Die Experimentierkapsel | In dieser Kapsel brachten die Forscher alle nötigen Gerätschaften unter, um das Bose-Einstein-Kondensat erzeugen und überwachen zu können.
Allerdings bringt der Arrest einen Nachteil mit sich: Für gewöhnlich stoßen sich die Atome nämlich leicht voneinander ab, wodurch sich das Kondensat ausdehnen würde. Da der Fallenrand aber hoch genug ist, bleiben die Atome zusammen und besitzen dadurch zu viel Energie, als dass sehr kleine fundamentale Quanteneffekte zum Tragen kommen könnten. In der Schwerelosigkeit würde das Quantengas dagegen frei expandieren. "Man gelangt auf diese Weise in ein Energieregime, in dem sich solche quantenmechanischen Effekte untersuchen lassen", so Ertmer.

Um das Kondensat in den freien Fall zu versetzen und damit von der Anziehungskraft der Erde zu befreien, mussten die Wissenschaftler zunächst die zu dessen Erzeugung notwendigen Apparaturen in einer 60 mal 60 mal 215 Zentimeter großen Box unterbringen. Diese ließen sie dann insgesamt 180 Mal aus einer Höhe von 146 Metern in die Tiefe fallen, wobei sie die Ausdehnung des ultrakalten Quantengases beobachten und messen konnten.

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Atomchip | In diesem winzigen Atomchip entsteht das Bose-Einstein-Kondensat. Zusammen mit anderen Hightechbauteilen findet er Platz in der Fallkapsel.
Demnach expandierte das Bose-Einstein-Kondensat während des Absturzes in Fallrichtung: Nach einer Sekunde hatte sich die Materiewelle, mit der sich das Quantengas beschreiben lässt, bereits über makroskopische Distanzen von mehr als zwei Millimetern ausgebreitet, berichten die Autoren.

Auf Grund dieser Eigenschaften wollen sie solche ultrakalten Quantengase zukünftig in frei fallenden Atominterferometern einsetzen. Hierin werden nicht Licht-, sondern Materiewellen aufgespaltet und durch zwei unterschiedliche Pfade geleitet, um schließlich wieder überlagert zu werden. Aus eventuellen Phasenverschiebungen lassen sich dann selbst winzige Änderungen in Raum und Zeit messen. Mit Hilfe der Kondensate sollte sich die Präzision dieser Messungen weiter steigern lassen.

Außerdem ließe sich mit solchen fallenden Quantensystemen erforschen, wie die Grundpfeiler der modernen Physik zusammenpassen: Denn während die allgemeine Relativitätstheorie von einer kontinuierlichen Raumzeit ausgeht, treten in der Quantenmechanik alle Größen gequantelt auf. Überprüfen würden die Wissenschaftler beispielsweise gerne, ob das Äquivalenzprinzip auch für frei fallende Quantenmaterie – also etwa Bose-Einstein-Kondensate – gilt. "Sollte es tatsächlich eine Quantengravitation geben, vermutet man, dass das Äquivalenzprinzip hier verletzt wird", erläutert Ertmer.

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Blick in den Fallturm | 180 Mal stürzte die Kapsel mit dem Bose-Einstein-Kondensat an Bord diesen Schacht hinunter.
Mit der nächsten Apparatur, an der die Gruppe bereits arbeitet, könnten diese und weitere Ideen bald in die Tat umgesetzt werden. Neben einem integrierten Atominterferometer sollen dann auch mehrere Atomsorten in die Tiefe stürzen und so genannte Atomlaser – also Quellen für Materiewellen mit laserartigen Eigenschaften – zum Einsatz kommen. (mp)

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  • Quellen
Zoest, T. v. et al.: Bose-Einstein Condensation in Microgravity. In: Science 328, S. 1540–1543, 2010.

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