Faseroptische Schalter von Leoni als Bestandteil des kältesten Orts des Sonnensystems
Neue Erkenntnisse zur Quantenphysik und Allgemeinen Relativitätstheorie erwartet
Cold Atom Laboratory – Mission Timeline. Mission Architure by Jet Propulsion Laboratory
CAL utilizes the microgravity environment of the International Space Station (ISS) to form, create, and study ultra-cold quantum gases.
Credit: JPL (Bildquelle LEONI)
Die CAL-Mission startete im Mai 2018 erfolgreich zur Internationalen Raumstation (ISS). Mit einem kühlschrankgroßen Instrument sollen Temperaturen von 100 pK, einem Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt geschaffen werden – kälter als die Durchschnittstemperaturen im Weltall. Mittels Laserkühlung bewegen sich die Atome darin sehr langsam und es bilden sich sogenannte Bose-Einstein-Kondensate (BEK).
Auf der Erde werden sich frei entwickelnde BEK durch den Sog der Schwerkraft nach unten gezogen und können typischerweise nur für einen Bruchteil einer Sekunde beobachtet werden. In der Mikrogravitation der Raumstation kann jedes sich frei entwickelnde BEK für bis zu 10 Sekunden beobachtet werden. Dies ist deutlich länger als mit derzeit existierenden BEK-Experimenten möglich ist.
Das Kältelabor wird von mehreren Forschungsteams genutzt um eine Vielzahl von Themen zu untersuchen. Eines der ersten Experimente wird von Eric Cornell, Nobelpreisträger und Physiker an der Universität von Colorado, geleitet. Cornell und sein Team werden Kollisionen von Teilchen und deren Interaktion beobachten. Die verschiedenen Tests führender Wissenschaftler werden ferngesteuert von der Erde aus durchgeführt.
Die Forscher erwarten durch die Experimente mit dem CAL neue Einblicke in die Welt der Quantenmechanik und erhoffen sich neue Erkenntnisse darüber, wie Gravitation und Raumzeit durch den Quantenraum miteinander verwoben sind. Die Ergebnisse der bisher geplanten Experimente könnten zu verbesserten Technologien einschließlich Sensoren, Quantencomputern und Atomuhren führen, die bei der Navigation von Raumfahrzeugen verwendet werden. Die CAL-Mission ist für ein Jahr geplant, kann aber auf bis zu fünf Jahre verlängert werden.
JPL und LEONI arbeiten seit dem Jahr 2013 zusammen, um Teile dieses Projekts zu realisieren und die damit verbundenen Herausforderungen – kurze Schaltzeiten, hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit an Bord – gemeinsam zu lösen.
„Wir freuen uns, dass uns das Jet Propulsion Laboratory die Möglichkeit gegeben hat, unser Know-how im Bereich von höchst anspruchsvollen und zuverlässigen technischen Lösungen unter Beweis zu stellen. Nachdem wir bereits 2016 bei der Messung von Gravitationswellen mit Laserkabeln beteiligt waren, könnte dies eine weitere bahnbrechende Gelegenheit sein, High-Endangewandte Grundlagenforschung und daraus resultierende neue Technologien zu entwickeln“, sagt Bruno Fankhauser, Vorstandsmitglied der Leoni AG und verantwortlich für den Unternehmensbereich Wire & Cable Solutions.
Die FiberSwitch-Produkte von LEONI sind wesentliche Komponenten des Laserkühlungsprozesses: Sie helfen, die Laserquellen so zu schalten, dass sie die Atome während des Abkühlungsprozesses steuern und verlangsamen, und schalten dann kurze Lichtpulse, die die Atome detektieren. Auf diese Weise kann eine Beobachtungsperiode von bis zu 10 Sekunden erreicht werden, um weitere grundlegende Geheimnisse unseres Universums auf der Quantenebene zu enthüllen.
Sobald Atomwolken in diese extrem kalten Zustände versetzt sind, reagieren sie sehr empfindlich auf jedes Streulicht, bei dem sogar ein einzelnes Photon ein Atom aus seinem gewünschten Zustand herausschlagen könnte. Zu diesem Zweck wurden die Leoni-Schalter verwendet, da sie den Laser, welcher die Atome „einfängt“, bei 80 dB oder mehr abschalten können. Die Schalter mussten ebenfalls vibrationsstabil und polarisationserhaltend mit geringen polarisationsabhängigen Verlusten sein, aus Sicherheitsgründen aus flammhemmenden Materialien bestehen und über eine sehr geringe Rückreflexion verfügen. Darüber hinaus ist eine hohe Langzeitstabilität natürlich ein sehr wichtiges Thema für High-End-Anwendungen im Weltraum.