Die NASA schafft den Bose-Einstein-Zustand

Was passiert, wenn Atome um einen Grad über Null abgekühlt sind? Es entsteht ein Materiezustand namens Bose-Einstein-Kondensat. Wie sieht dieser Zustand der Materie aus? Sie sieht nicht aus wie ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas. Stattdessen sieht sie aus wie ein gewelltes Superatom.

Die erste Person, die dies entdeckte, war Dr. Satyendra Bose. Albert Einstein sagte voraus, dass dieser Zustand der Materie existiert. Dr. Bose fand jedoch das, was er Bosonen nannte. Einstein glaubte nicht, dass die Wissenschaft jemals etwas entdecken würde, weil es eine so unglaublich niedrige Temperatur hatte.

Materie auf der ISS erschaffen

Wissenschaftler erforschen diese Kreation an Bord der Internationalen Raumstation. Das Cold Atom Lab (CAL) ist eine kompakte Quantenphysik-Maschine, die für den Einsatz in der Internationalen Raumstation (ISS) gebaut wurde, die im Mai 2018 ins All startete.

„Es ist unglaublich herausfordernd, etwas ultrakalt zu machen, weil es in der Natur nichts gibt, das ultrakalt sein möchte“, sagt Ethan Elliot, Atomphysiker im Jet Propulsion-Labor der NASA. Was bringt Wissenschaftler dazu, etwas so sehr Kaltes zu erschaffen? Objekte tun seltsame Dinge, wenn sie kalt werden.

National Institute of Standards and Technology, Public domain, via Wikimedia Commons

Bose-Einstein-Zustand der Materie

Um den fünften Zustand der Materie zu verstehen, tauchen Wissenschaftler in die Welt der Quantenmechanik ein. Die Quantenmechanik besagt, dass alles eine Teilchen- und eine Wellennatur hat. Bei normalen Temperaturen verhalten Atome sich wie Billardkugeln. Sie prallen von allem ab, was ihnen begegnet. Sobald die Atome jedoch abgekühlt sind, beginnt ihre Wellennatur zu übernehmen. Infolgedessen beginnen die Wellenlängen des Atoms zusammen zu verschwimmen. An diesem Punkt tritt der seltsame neue Materiezustand Bose-Einstein auf.

Wissenschaftler verwendeten Laser, um Atome zu verlangsamen, und wenn Atome langsamer werden, kühlen sie im Wesentlichen ab. Dann bewegen sich die Atome in einen anderen Bereich, der sie in einem Prozess abkühlt, der als Verdunstungskühlung bezeichnet wird. Um die Atome zu untersuchen, mussten sie die Schwerkraft beseitigen. Die NASA hat das Cold Atom Lab (CAL) für die ISS gebaut, mit dem Wissenschaftler die Atome beim Schweben betrachten können.

Sie arbeiten daran, Kalium und Rubidium zu isolieren, weil diese ein Elektron in ihrer Außenhülle haben. Es erlaubt ihnen, das in Bewegung zu halten, während sie das Atom abkühlen. Im Labor treffen Laserstrahlen auf das Atom und kühlen es ab.

Gründe für die Forschung

Warum wollen Wissenschaftler das erforschen und daraus lernen? Diese wollen sie in Mikrogravitation herstellen, um ihre Eigenschaften für die hochpräzise Atominterferometrie zu nutzen. Ein Atominterferometer ist ein Interferometer, das den Wellencharakter von Atomen nutzt .

Interferometer: Die Interferometrie ist eine Familie von Techniken, bei denen Wellen, normalerweise elektromagnetische Wellen, überlagert werden. Infolgedessen tritt das Phänomen der Interferenz auf, mit der Informationen extrahiert werden.

Ähnlich wie optische Interferometer messen Atominterferometer die Phasendifferenz zwischen atomaren Materiewellen entlang verschiedener Pfade. Atominterferometer bieten viele Anwendungsmöglichkeiten in der Grundlagenphysik. Diese Anwendungen umfassen Messungen der Gravitationskonstante, der Feinstrukturkonstante und der Universalität des freien Falls. Darüber hinaus kann es sich um ein Verfahren zur Detektion von Gravitationswellen handeln.

Die NASA hofft, in den kommenden Jahren mehr über diesen fünften Aggregatzustand zu erfahren. Dies könnte möglicherweise zur Entwicklung neuer und aufregender Maschinen für das Studium des Weltraums führen.