Extremt exakta mätningar är möjliga med hjälp av atominterferometrar som använder atomernas vågkaraktär för detta ändamål. De kan alltså användas, till exempel, för att mäta jordens gravitationsfält eller för att upptäcka gravitationella vågor. Ett team av forskare från Tyskland har nu lyckats utföra atominterferometri i rymden för första gången - ombord på en ljudande raket. "Vi har etablerat den tekniska grunden för atominterferometri ombord på en raket som låter och visat att sådana experiment inte bara är möjliga på jorden, men också i rymden, "säger professor Patrick Windpassinger vid Institute of Physics vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), vars team var inblandat i utredningen. Resultaten av deras analyser har publicerats i Naturkommunikation .

Ett team av forskare från olika universitet och forskningscentra under ledning av Leibniz University Hannover lanserade MAIUS-1-uppdraget i januari 2017. Detta har sedan blivit det första raketuppdraget på vilket ett Bose-Einstein-kondensat har genererats i rymden. Detta speciella tillstånd uppstår när atomer - i detta fall atomer av rubidium - kyls till en temperatur nära absolut noll, eller minus 273 grader Celsius. "För oss, denna ultrakylda ensemble representerade en mycket lovande utgångspunkt för atominterferometri, "förklarade Windpassinger. Temperaturen är en av de avgörande faktorerna, eftersom mätningar kan utföras mer exakt och under längre perioder vid lägre temperaturer.

Atominterferometri:Genererar atominterferens genom rumslig separation och efterföljande överlagring av atomer

Under experimenten, gasen av rubidiumatomer separerades med användning av laserljusbestrålning och placerades sedan över. Beroende på krafterna som verkar på atomerna på deras olika vägar, flera störningsmönster kan produceras, som i sin tur kan användas för att mäta krafterna som påverkar dem, som gravitation.

Att lägga grunden för precisionsmätningar

Studien visade först på sammanhanget, eller störningsförmåga, av Bose-Einstein-kondensatet som en grundläggande egenskap hos atomensemblen. För detta ändamål, atomerna i interferometern överlagrades endast delvis genom att variera ljussekvensen, som, vid sammanhang, ledde till generering av en rumslig intensitetsmodulering. Forskargruppen har alltså visat att konceptet är livskraftigt, vilket kan leda till ytterligare experiment som riktar sig till mätningen av jordens gravitationsfält, detektering av gravitationella vågor, och ett test av Einsteins likvärdighetsprincip.

Ännu fler mätningar kommer att vara möjliga när MAIUS-2 och MAIUS-3 lanseras

Inom en snar framtid, laget vill gå vidare och undersöka möjligheten med högprecision atominterferometri för att testa Einsteins likvärdighetsprincip. Ytterligare två raketuppskjutningar, MAIUS-2 och MAIUS-3, är planerade för 2022 och 2023, och på dessa uppdrag avser laget också att använda kaliumatomer, förutom rubidiumatomer, att producera störningsmönster. Genom att jämföra accelerationen av fritt fall för de två atomerna, ett test av ekvivalensprincipen med tidigare ouppnåelig precision kan underlättas. "Att genomföra denna typ av experiment skulle vara ett framtida mål för satelliter eller International Space Station ISS, möjligen inom BECCAL, Bose Einsteins kondensat- och kalla atomlaboratorium, som för närvarande är i planeringsfasen. I detta fall, uppnåbar noggrannhet skulle inte begränsas av den begränsade fritt falltiden ombord på en raket, "förklarade Dr. André Wenzlawski, medlem i Windpassingers forskargrupp vid JGU, som är direkt involverad i lanseringsuppdragen.

Experimentet är ett exempel på det mycket aktiva forskningsområdet för kvantteknologi, som också inkluderar utvecklingen inom områdena kvantkommunikation, kvantsensorer, och kvantberäkning.

Rakettuppdraget MAIUS-1 genomfördes som ett gemensamt projekt som involverar Leibniz University Hannover, universitetet i Bremen, Johannes Gutenberg University Mainz, Universitet Hamburg, Humboldt-Universität zu Berlin, Ferdinand-Braun-Institutet i Berlin, och German Aerospace Center (DLR). Finansiering för projektet ordnades av rymdförvaltningen i det tyska rymdcentralen och medel lämnades av det tyska förbundsministeriet för ekonomi och energi på grundval av en resolution från tyska förbundsdagen.