Extreem nauwkeurige metingen zijn mogelijk met atoominterferometers die hiervoor het golfkarakter van atomen gebruiken. Ze kunnen dus worden gebruikt, bijvoorbeeld, om het zwaartekrachtsveld van de aarde te meten of om zwaartekrachtsgolven te detecteren. Een team van wetenschappers uit Duitsland is er nu in geslaagd om voor het eerst met succes atoominterferometrie in de ruimte uit te voeren - aan boord van een sondeerraket. "We hebben de technologische basis gelegd voor atoominterferometrie aan boord van een sondeerraket en hebben aangetoond dat dergelijke experimenten niet alleen op aarde mogelijk zijn, maar ook in de ruimte " zei professor Patrick Windpassinger van het Institute of Physics aan de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), wiens team bij het onderzoek was betrokken. De resultaten van hun analyses zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Een team van onderzoekers van verschillende universiteiten en onderzoekscentra onder leiding van Leibniz University Hannover lanceerde in januari 2017 de MAIUS-1-missie. Dit is sindsdien de eerste raketmissie waarbij een Bose-Einstein-condensaat in de ruimte is gegenereerd. Deze speciale toestand van materie treedt op wanneer atomen - in dit geval rubidium-atomen - worden afgekoeld tot een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt, of min 273 graden Celsius. "Voor ons, dit ultrakoude ensemble vormde een veelbelovend startpunt voor atoominterferometrie, " legt Windpassinger uit. Temperatuur is een van de bepalende factoren, omdat metingen nauwkeuriger en voor langere tijd bij lagere temperaturen kunnen worden uitgevoerd.

Atoominterferometrie:atomaire interferentie genereren door ruimtelijke scheiding en daaropvolgende superpositie van atomen

Tijdens de experimenten, het gas van rubidiumatomen werd gescheiden met behulp van laserlichtbestraling en vervolgens gesuperponeerd. Afhankelijk van de krachten die op de atomen werken op hun verschillende paden, verschillende interferentiepatronen kunnen worden geproduceerd, die op hun beurt kunnen worden gebruikt om de krachten te meten die ze beïnvloeden, zoals zwaartekracht.

De basis leggen voor precisiemetingen

De studie toonde eerst de samenhang aan, of interferentievermogen, van het Bose-Einstein-condensaat als een fundamenteel vereiste eigenschap van het atomaire ensemble. Hiertoe, de atomen in de interferometer werden slechts gedeeltelijk gesuperponeerd door middel van het variëren van de lichtvolgorde, die, in het geval van coherentie, leidde tot het genereren van een ruimtelijke intensiteitsmodulatie. Het onderzoeksteam heeft dus de levensvatbaarheid van het concept aangetoond, wat kan leiden tot verdere experimenten gericht op het meten van het zwaartekrachtveld van de aarde, de detectie van zwaartekrachtsgolven, en een test van het equivalentieprincipe van Einstein.

Nog meer metingen zullen mogelijk zijn wanneer MAIUS-2 en MAIUS-3 worden gelanceerd

In de nabije toekomst, het team wil verder gaan en de haalbaarheid onderzoeken van zeer nauwkeurige atoominterferometrie om het equivalentieprincipe van Einstein te testen. Nog twee raketlanceringen, MAIUS-2 en MAIUS-3, zijn gepland voor 2022 en 2023, en bij deze missies wil het team ook kaliumatomen gebruiken, naast rubidium-atomen, interferentiepatronen te produceren. Door de vrije valversnelling van de twee soorten atomen te vergelijken, een test van het equivalentieprincipe met voorheen onbereikbare precisie kan worden vergemakkelijkt. "Het ondernemen van dit soort experimenten zou een toekomstig doel zijn op satellieten of het internationale ruimtestation ISS, mogelijk binnen BECCAL, het Bose Einstein-laboratorium voor condensaat en koude atomen, die zich momenteel in de planfase bevindt. In dit geval, de haalbare nauwkeurigheid zou niet worden beperkt door de beperkte vrije valtijd aan boord van een raket, " verklaarde Dr. André Wenzlawski, een lid van de onderzoeksgroep van Windpassinger bij JGU, die direct betrokken is bij de lanceringsmissies.

Het experiment is een voorbeeld van het zeer actieve onderzoeksveld van kwantumtechnologieën, waaronder ook ontwikkelingen op het gebied van kwantumcommunicatie vallen, kwantumsensoren, en kwantumcomputers.

De MAIUS-1 sondeerraketmissie werd uitgevoerd als een gezamenlijk project met de Leibniz University Hannover, de Universiteit van Bremen, Johannes Gutenberg-universiteit Mainz, Universität Hamburg, Humboldt-Universität zu Berlin, het Ferdinand-Braun-Institut in Berlijn, en het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR). De financiering van het project werd geregeld door de Ruimtevaartadministratie van het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum en op basis van een resolutie van de Duitse Bondsdag werden fondsen verstrekt door het Duitse Federale Ministerie van Economische Zaken en Energie.