Das im Raumfahrtkontrollzentrum Beijing (BACC) aufgenommene Simulationsbild zeigt das Labormodul „Mengtian“ der chinesischen Raumstation nach Abschluss der Positionierung im Orbit, 3. November 2022. (Foto von Sun Fengxiao/Xinhua)
BEIJING, 6. November (Xinhua) — Chinesische Wissenschaftler haben einen neuen Rekord für die kälteste jemals von Menschen erreichte Temperatur aufgestellt. Dazu kühlten sie eine Wolke aus Rubidiumatomen auf 9,7 Pikokelvin ab und hielten sie für Beobachtungszwecke sieben Sekunden lang stabil.
Das Ergebnis, das bei einer Pressekonferenz der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) zum chinesischen Raumstationsprogramm bekannt gegeben wurde, stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung des absoluten Nullpunkts dar – der theoretisch niedrigsten möglichen Temperatur – und erzeugt damit die bislang kälteste bekannte künstlich hergestellte Substanz. Die Forschungsergebnisse wurden am Freitag in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Das Experiment wurde im Ultrakaltatomphysik-Rack an Bord der chinesischen Raumstation durchgeführt. Das Projekt begann im Jahr 2011 mit Machbarkeitsstudien, und das Versuchssystem wurde 2022 mit dem Modul „Mengtian“ ins All gebracht. Es wurde vom Technology and Engineering Center for Space Utilization der CAS organisiert und von der Peking University sowie dem Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (SIOM) der CAS umgesetzt.
„Dies ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit zwischen dem Gesamtsystem, dem Wissenschaftsteam und dem Ingenieurteam“, sagte Wang Qiang, Chief Commander des Raumfahrtanwendungssystems des chinesischen bemannten Raumfahrtprogramms.
Atome befinden sich stets in zufälliger thermischer Bewegung, und sie zu kühlen bedeutet, sie zu verlangsamen. Erst nahe dem absoluten Nullpunkt, bei etwa minus 273,15 Grad Celsius, kommen Atome fast zum Stillstand und bilden geordnete Quantenzustände, die Wissenschaftler untersuchen können. Das Erreichen dieses Punktes ist seit mehr als einem Jahrhundert eine Herausforderung in der Physik. Der bisherige Rekord lag bei 38 Pikokelvin und wurde 2021 von einem deutschen Team aufgestellt.
Das chinesische Team verwendete eine rein optische Atomfalle, um die Atomwolke einzuschließen, und verringerte dann die Laserintensität, um die Atome durch Verdampfungskühlung weiter abzukühlen. Abschließend kam ein spezielles Verfahren zur Extremabkühlung zum Einsatz, das als nichtadiabatische Diffusion bezeichnet wird. Im Vergleich zu international verwendeten Verfahren mit magnetischen Fallen ist die chinesische Methode zwar schwieriger umzusetzen, bietet jedoch klare Vorteile: Sie ist weniger empfindlich gegenüber magnetischen Störungen, lässt sich räumlich präziser steuern und verfügt über mehr optische Zugänge. Folglich ist sie mit einem breiteren Spektrum an Experimenten zur Quantensimulation kompatibel. Unter Bedingungen der Mikrogravitation können Atome mit deutlich schwächeren Einschlusskräften gehalten werden. Dies ermöglicht niedrigere Temperaturen und längere Beobachtungszeiten.
Um ein solches Ziel zu erreichen, integrierte das Team ein bodenbasiertes Experimentalsystem mit einem Volumen von etwa 20 Kubikmetern und einer Masse von 10 Tonnen in ein Rack mit lediglich 0,7 Kubikmetern Volumen und 0,5 Tonnen Masse. Dabei bewältigte es zentrale Herausforderungen in den Bereichen Ultrahochvakuumtechnik, Hochleistungsfaserlaser, Langzeitstabilisierung der Laserfrequenz und hochpräzise optische Integration.
„Die technische Herausforderung bestand darin, mehrere Spitzentechnologien unter den strengen Anforderungen der Raumfahrt zu bündeln“, sagte Li Tang, Forscher am SIOM.
Das Abkühlen von Atomen auf Werte nahe dem absoluten Nullpunkt dehnt ihre de-Broglie-Wellenlängen auf beobachtbare Größenordnungen aus, wodurch Quanteneffekte besser sichtbar und steuerbar werden. Dies schafft eine saubere, flexible Plattform für Quantensimulationen und unterstützt Technologien wie hochpräzise Atomuhren, inertiale Messsysteme auf Basis der Atominterferometrie und Quantencomputing. Längere Beobachtungszeiten sind entscheidend – bei Experimenten auf der Erde können Atome nur etwa 0,05 Sekunden lang beobachtet werden und auf der Internationalen Raumstation (ISS) etwa eine Sekunde. Auf der chinesischen Raumstation sind es nun sieben Sekunden.
„Je länger wir beobachten können, desto wahrscheinlicher ist es, dass wir neue und schwächer ausgeprägte physikalische Phänomene entdecken“, sagte Xiong Wei, einer der Erstautoren der Veröffentlichung.
Die Errungenschaft könnte Wissenschaftlern dabei helfen, Phasenübergänge, Nichtgleichgewichtsdynamik und quantenmechanische Vielteilchenkorrelationen bei extrem niedrigen Temperaturen zu untersuchen. Darüber hinaus könnte sie die Forschung zur Simulation des frühen Universums sowie zum Nachweis ultraleichter Dunkler Materie unterstützen, sagte Chen Weibiao, Forscher am SIOM.
Lyu Congmin, Chefkonstrukteur des Raumfahrtanwendungssystems des chinesischen bemannten Raumfahrtprogramms, sagte: „Wir laden Wissenschaftler aus aller Welt ein, mithilfe des Ultrakaltatomphysik-Racks an Bord der chinesischen Raumstation experimentelle Forschung zu betreiben und damit neue Beiträge für die wissenschaftliche Gemeinschaft zu leisten.“