China erzeugt kälteste Materie der Welt – bei fast minus 273 Grad verhalten sich 20.000 Atome wie ein Teilchen

Kälter als im tiefsten Weltraum: Chinesische Wissenschaftler haben Materie auf eine Temperatur gebracht, die nur noch um wenige Billionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt. Bei minus 273,15 Grad Celsius liegt die Grenze, unter die keine gewöhnliche Temperatur fallen kann. Auf der Raumstation Tiangong gelang es, rund 20.000 Atome dieser Grenze außergewöhnlich nahe zu bringen. Die Chinesische Akademie der Wissenschaften (CAS) meldet einen neuen Rekord von 9,7 Billionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt. Der bisherige Vergleichswert lag bei 38 Billionstel Kelvin.

Für das Experiment kühlten die Wissenschaftler Rubidiumatome mithilfe von Laserlicht extrem weit ab. Dabei geschah etwas Außergewöhnliches: Die Atome bewegten sich immer langsamer und nahmen schließlich einen gemeinsamen Quantenzustand an. Obwohl sie einzelne Teilchen blieben, verhielten sie sich wie eine einzige Materiewelle. Anschließend beobachtete das Team sieben Sekunden lang, wie sich die Atomwolke ausdehnte. Auf der Erde wäre sie in dieser Zeit rund 250 Meter tief gefallen. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Science. Die Technik könnte künftig helfen, kleinste Veränderungen der Schwerkraft zu messen und grundlegende Fragen der Physik zu untersuchen.

Kälteste Materie der Welt erreicht neuen Rekordwert

Die bislang niedrigste vergleichbare Äquivalenttemperatur lag bei 38 Billionstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt. Ein Billionstel ist der millionste Teil eines Millionstels. Die Atome waren damit nur 0,000000000038 Grad von der tiefstmöglichen Temperatur bei minus 273,15 Grad Celsius entfernt. Das chinesische Team unterbot diesen Wert um fast das Vierfache und verlängerte die Beobachtungszeit von zwei auf sieben Sekunden.

Die extreme Kälte betraf allerdings nicht die gesamte Versuchsanlage. Die Wissenschaftler bestimmten die sogenannte Äquivalenttemperatur anhand der Geschwindigkeit, mit der sich die Atomwolke ausdehnte. Je langsamer die Atome auseinanderdriften, desto niedriger ist dieser Wert.

Bei solch niedrigen Temperaturen können Atome einen besonderen Zustand erreichen: das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat. Dabei verhalten sich Tausende Teilchen gemeinsam wie eine einzige Materiewelle. So lassen sich Vorgänge der Quantenphysik untersuchen, die normalerweise nur auf der Ebene einzelner Atome auftreten.

Im Weltall bleiben Atome deutlich länger frei

Auf der Erde zieht die Schwerkraft die Atome nach unten, sobald Wissenschaftler sie aus ihrer Falle entlassen. Nach sieben Sekunden wären sie bereits rund 250 Meter tief gefallen – etwa so weit wie die Höhe eines 80-stöckigen Hochhauses. Um sie während dieser Zeit beobachten zu können, bräuchte man eine entsprechend hohe Vakuumkammer. Auf der Raumstation dagegen herrscht nahezu Schwerelosigkeit. Dort können die Atome frei schweben und sich über mehrere Sekunden ungestört ausdehnen.

Im Weltraum können Wissenschaftler die Atomwolke somit wesentlich länger beobachten und dadurch selbst winzige physikalische Einflüsse messen, die auf der Erde kaum nachweisbar wären. Auf diesen Vorteil verweist auch der deutsche Physik-Nobelpreisträger Wolfgang Ketterle vom Massachusetts Institute of Technology (MIT). Er erhielt 2001 den Nobelpreis für seine Arbeiten zur erstmaligen Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats aus Gasatomen und erforscht bis heute das Verhalten extrem kalter Materie.

Laserlicht bremst die Atome immer weiter ab

Für die extreme Abkühlung nutzten die chinesischen Wissenschaftler eine sogenannte optische Dipolfalle. Laserstrahlen hielten die Rubidiumatome zunächst fest. Anschließend entfernte das Team besonders energiereiche Teilchen aus der Wolke. Die verbleibenden Atome bewegten sich dadurch immer langsamer. Eine weitere Kühlphase senkte ihre Bewegungsenergie zusätzlich.

Unter Schwerelosigkeit verliert dieses Kühlverfahren allerdings einen Teil seiner Wirksamkeit. Deshalb kombinierten die Forscher mehrere Methoden:

Laserlicht: Hält die Atome zunächst in einer kontrollierten Wolke zusammen.
Verdampfungskühlung: Entfernt besonders energiereiche Atome und senkt damit die durchschnittliche Bewegungsenergie.
Zusätzliches Magnetfeld: Verbessert die Kühlung unter Schwerelosigkeit und ermöglicht die Bildung des Bose-Einstein-Kondensats.

Chinas Weltraumlabor wurde drastisch verkleinert

Die Versuchsanlage befindet sich im Labormodul Mengtian der chinesischen Raumstation. Sie startete 2022 ins All, ihre Entwicklung begann bereits 2011. Das ursprüngliche System auf der Erde benötigte rund 20 Kubikmeter Platz und wog zehn Tonnen. Für den Weltraumeinsatz mussten die Entwickler die gesamte Technik erheblich verkleinern.

Die Anlage benötigt heute nur noch 0,7 Kubikmeter und wiegt etwa 500 Kilogramm. Darin befinden sich Laser, empfindliche optische Bauteile, eine Hochvakuumkammer und automatische Steuerungen. Die Geräte müssen trotz begrenzter Stromversorgung zuverlässig funktionieren. Bereits kleinste Störungen können die empfindliche Atomwolke beeinflussen.

Neue Technik könnte die Schwerkraft genauer vermessen

Eine mögliche Anwendung sind sogenannte Atominterferometer. Diese Messgeräte nutzen die Welleneigenschaften von Atomen, um winzige Beschleunigungen und Veränderungen der Schwerkraft zu erfassen. Ernst M. Rasel, Physikprofessor an der Leibniz Universität Hannover, verweist auf einen besonderen Zusammenhang: Die Empfindlichkeit solcher Instrumente steigt mit dem Quadrat der Zeit, die den Atomen für die Messung zur Verfügung steht. Oder vereinfacht ausgedrückt: Verdoppelt sich die Messzeit, können die Geräte theoretisch viermal kleinere Veränderungen der Schwerkraft erfassen.

Künftig könnten solche Geräte beispielsweise kleinste Veränderungen des Erdschwerefelds registrieren. Auch Experimente zur Dunklen Materie kommen infrage. Dafür müssten die Wissenschaftler allerdings erst Atominterferometer entwickeln, in denen sich die Quantenzustände der Atome im Weltraum über mehrere Sekunden erhalten lassen.

Künstliche Atomgitter ermöglichen weitere Experimente

Die chinesische Anlage könnte außerdem bei der Erforschung neuer Materialien helfen. Mit speziell angeordnetem Laserlicht lassen sich Atome in regelmäßigen Mustern festhalten. Diese künstlichen Gitter ähneln dem Aufbau von Kristallen. Durch Veränderungen der Anordnung können Wissenschaftler untersuchen, wie sich Materie unter unterschiedlichen Bedingungen verhält.

Ketterle bezeichnet den Rekord als „einen hervorragenden Ausgangspunkt für Fortschritte bei der atomaren Temperaturmessung und bei Präzisionsmessungen“. Auch die an der Untersuchung beteiligten Wissenschaftler Wei Xiong und Shengjie Jin von der Universität Peking erwarten Vorteile durch längere Beobachtungszeiten. Sie könnten es ermöglichen, künftig besonders schwache physikalische Effekte nachzuweisen.

Kurz zusammengefasst:

Kälterekord im All: China kühlte rund 20.000 Atome auf nahezu minus 273,15 Grad Celsius ab und unterbot den bisherigen Vergleichswert um fast das Vierfache.
Atome verhalten sich wie eine Welle: Bei extremer Kälte nehmen sie einen gemeinsamen Quantenzustand an, ohne zu verschmelzen.
Neue Messmöglichkeiten: Dank Schwerelosigkeit ließ sich die Atomwolke sieben Sekunden lang beobachten – das könnte künftig präzisere Messungen der Schwerkraft ermöglichen.

Übrigens: Extrem kalte Atome können sogar Informationen speichern. Wissenschaftler der Stanford University entwickelten daraus ein künstliches Gedächtnis, das in einem Experiment siebenmal mehr Muster speichern konnte als ein vergleichbares herkömmliches Modell – mehr dazu in unserem Artikel.