Die Welleneigenschaft von Materie kann in Materiewelleninterferometern zur präzisen Vermessung unterschiedlicher Größen, wie Rotationen und Beschleunigungen, sowie zur Bestimmung fundamentaler Naturkonstanten, beispielsweise der Gravitationskonstante, genutzt werden. Hierzu sind ultrakalte atomare Ensembles, sogenannte Bose-Einstein Kondensate (BEK) vorteilhaft, da makroskopische Welleneigenschaften erst bei kleinsten kinetischen Energie auftreten.
Forschenden der Leibniz Universität Hannover, des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation an der Universität Bremen, der Humboldt-Universität zu Berlin sowie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz ist es nun im Rahmen des QUANTUS-Projektes gelungen, unter Ausnutzung der repulsiven Wechselwirkungen innerhalb des BEK ein Materiewellenlinsensystem zu realisieren, welches die Expansion des BEK nahezu völlig stoppt.
Hierzu wird innerhalb einer magnetischen Falle eine kollektive Schwingungsmode des BEK angeregt, mit der sich über die Haltedauer die Expansionseigenschaften des BEK variieren lassen. Bei der hier gewählten Haltedauer wurde die Expansion entlang einer Raumrichtung nahezu gestoppt, während die Expansion entlang der verbleibenden zwei Raumrichtungen als Ausgleich zunahm. Nach Abschalten der magnetischen Falle expandiert das BEK nun hauptsächlich entlang dieser beiden verbleibenden Raumrichtungen. Während dieser Expansion nimmt die Stärke der Wechselwirkung innerhalb des BEK ab, wodurch die beschleunigte Expansion nach einiger Zeit in eine rein ballistische Expansion übergeht. Zu diesem Zeitpunkt wird eine zylindrische magnetische Linse verwendet, wodurch sich gerade die Expansion entlang der beiden verbleibenden Raumrichtungen verlangsamen lässt und somit das BEK zu dem sich bisher am langsamsten ausbreitenden Ensemble weltweit wurde.
Mit diesem Materiewellenlinsensystem war es möglich, die interne kinetische Energie eines BEK mit 100.000 Atomen auf 38 Pikokelvin über dem absoluten Temperaturnullpunkt zu reduzieren. Dadurch ließ sich das BEK während der Experimente im Fallturm Bremen unter Schwerelosigkeit noch nach bis zu zwei Sekunden beobachten. Begleitende Simulationen der Experimente legen nahe, dass das BEK noch nach 17 Sekunden detektierbar wäre. Dies stellt einen interessanten Eingangszustand für Quantengasexperimente in Falltürmen, Atomfontänen sowie auf Forschungsraketenmissionen, wie etwa MAIUS, oder auf der internationalen Raumstation ISS, wie sie das BECCAL Projekt sie anstrebt, dar.
Die Arbeit entstand im Rahmen des DLR-Verbundprojektes QUANTUS und wurde durch das Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research (QUEST), sowie den ExzellenzCluster Quantum-Frontiers unterstützt.
Originalpublikation:
Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics
Christian Deppner, Waldemar Herr, Merle Cornelius, Peter Stromberger, Tammo Sternke, Christoph Grzeschik, Alexander Grote, Jan Rudolph, Sven Herrmann, Markus Krutzik, André Wenzlawski, Robin Corgier, Eric Charron, David Guéry-Odelin, Naceur Gaaloul, Claus Lämmerzahl, Achim Peters, Patrick Windpassinger, and Ernst M. Rasel
Phys. Rev. Lett. 127, 100401
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.100401
