Der absolute Nullpunkt, also die tiefste denkbare Temperatur, wird als 0 Kelvin festgelegt und entspricht minus 273,15 Grad Celsius. Physikalisch gilt der Nullpunkt als jener theoretische Zustand, bei dem das Volumen von Gas bei Null liegt und Elementarteilchen gleichsam ihre Bewegung gänzlich einstellen. Erreichbar ist dieser Grenzwert freilich nicht, das verhindert der dritte Hauptsatz der Thermodynamik, aber man kann ihm mittlerweile schon sehr nahe kommen.

Bei der Annäherung an den absoluten Nullpunkt ist einem Forscherteam am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen nun ein entscheidender Rekord gelungen: Physiker um Christian Deppner von der Leibniz-Universität Hannover haben in dem Hightech-Labor das weltweit kälteste und langlebigste Bose-Einstein-Kondensat erzeugt – und damit für wenige Sekunden einen der "kältesten Orte des Universums" geschaffen.

Als bisher bekannter kältester Platz im natürlichen Universum gilt der Bumerangnebel in rund 5.000 Lichtjahren Entfernung. Astrophysiker haben dort 1 Kelvin gemessen, was noch um einiges kälter ist als die kosmische Hintergrundstrahlung, die bei 2.7 Kelvin liegt. Im Labor allerdings kann man Materie noch um einige Größenordnungen näher an den absoluten Nullpunkt herunterkühlen.

Noch kälter als hier: Der Bumerangnebel im Sternbild Zentaur gilt als kältester natürlicher Ort im Universum.
Foto: REUTERS/NASA, ESA

Praktische Materiewellen

Ein Bose-Einstein-Kondensat (BEK) stellt einen besonderen Quanten-Zustand von Materie dar, der bei tiefsten Temperaturen auftritt und bei dem die einzelnen Atome gewissermaßen eine einzige zusammenhängende Materiewelle bilden. Mit derartigen Materiewellen lassen sich ganz analog zu Lichtwellen sehr empfindliche Messinstrumente bauen, sogenannte Interferometer, um damit beispielsweise Rotationen, Beschleunigungen oder kleinste Änderungen der auf die Atome wirkenden Schwerkraft zu vermessen.

Ersteres kann zu einer genaueren Navigation eingesetzt, letzteres für Tests fundamentaler physikalischer Theorien verwendet werden. Die Schwierigkeit dabei: Das bereits sehr kalte BEK besitzt immer noch eine geringe innere Energie, die die Atome auseinandertreibt. Diese geringfügige Ausdehnung macht es dennoch unmöglich ein frei fallendes, also schwereloses BEK in den genannten Anwendungen für längere und damit genauere Messungen einzusetzen.

Expansionsbremse

Die Wissenschafter der Leibniz Universität Hannover, des ZARM, der Humboldt-Universität zu Berlin sowie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es nun im Rahmen des Quantus-Projektes gelungen, ein Materiewellenlinsensystem zu entwickeln, welches die Expansion – und damit letztlich den Zerfall – des BEK aufhält. Mit diesem Materiewellenlinsensystem war es möglich, die interne kinetische Energie eines BEK mit rund 100.000 Atomen stärker als je zuvor zu reduzieren.

Das bedeutet, die Bewegung der Atome innerhalb des BEK konnte so verlangsamt werden, dass eine effektive Temperatur von 38 Pikokelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt erreicht wurde. Das entspricht 38 Billionstel Grad über minus 273 Grad Celsius – ein absoluter Minusrekord. Nachgewiesen wurde dies schließlich in einer Reihe von Experimenten im Fallturm Bremen, wobei die verlangsamte Expansion über bis zu zwei Sekunden beobachtet werden konnte, wie die Forscher im "Physical Review Letters" berichten.

Zudem deuten Computersimulationen darauf hin, dass das BEK mit Hilfe des Materiewellenlinsensystems theoretisch sogar für 17 Sekunden in Schwerelosigkeit aufrechterhalten werden kann – die Voraussetzung für künftige Messungen höchster Präzision in ausgedehnter Schwerelosigkeit, etwa auf einem Satelliten.

Die Experimente wurden im Fallturm am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) durchgeführt.
Foto: ZARM

Versuchsaufbau

Erzeugt wird das BEK in einer magnetischen Falle, nach deren Abschalten es zunächst in allen drei Raumrichtungen expandiert. Durch eine magnetische Linse konnte diese Expansion zwar bereits in der Vergangenheit verlangsamt und die Materiewelle gleichsam eingeengt werden. Allerdings funktionierte dies aufgrund einer starken Asymmetrie der Magnetfalle nur in zwei Richtungen hinreichend gut.

Um auch in der dritten Richtung die Ausdehnung aufzuhalten, konnten die Forscher nun eine zuvor angeregte kollektive Schwingung der Atomwolke nutzen. Wird die durch diese Schwingung pulsierende Atomwolke zum richtigen Zeitpunkt aus der Falle entlassen, ist die Ausdehnung in der problematischen Richtung bereits stark reduziert, und der nachfolgende Einsatz der magnetischen Linse stoppt die Ausdehnung schließlich auch in den verbleibenden zwei Richtungen.

Mit diesem Versuchsaufbau entstand im Fallturm Bremen das sich am langsamsten ausbreitende BEK und damit auch die kälteste derartige Atomwolke weltweit. (red, 5.9.2021)