CAL II - Durchführung und Auswertung der Experimente mit Bose-Einstein-Kondensaten auf der Internationalen Raumstation im Rahmen des Cold Atom Laboratory der NASA

Abstract

In diesem Abschlussbericht werden die Arbeiten am Verbundprojekt CAL II dargestellt, die an der Leibniz Universität Hannover durchgeführt wurden. Das wesentliche Ziel dieses Verbundprojekts war die Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten mit Bose-Einstein-Kondensaten (BECs) und dessen Verwendung für die Atominterferometrie mit dem von der NASA betriebenen Cold Atom Lab (CAL) auf der Internationalen Raumstation ISS. Das Experimentieren mit diesen ultrakalten Quantengasen in Schwerelosigkeit bietet einzigartige Vorteile und erleichtert beispielsweise die präzise Manipulation der BECs ohne gravitative Einflüsse und ermöglicht damit gleichzeitig deutlich längere freie Expansionszeiten als in erdgebundenen Laboren.

Im Laufe des Projekts wurden eine Vielzahl von Arbeiten durchgeführt, die sich im Wesentlichen in vier Bereiche aufteilen lassen: (i) Experimente zur Manipulation und Charakterisierung von Mischungs-BECs. Gemeinsam mit dem JPL wurden Untersuchungen des ersten Zwei-Spezies BECs im Weltraum durchgeführt. Ebenso wurden grundlegende differentielle Atominterferometrie-Experimente mit Mischungs-BECs realisiert. (ii) Durchführung einer Messkampagne zur Charakterisierung von residuellen Magnetfeldkrümmungen innerhalb der CAL-Apparatur mit unterschiedlichen differentielle Atominterferometrie-Geometrien: Mach-Zehnder und Butterfly Konfiguration. Dies stellt die erste Nutzung eines auf BECs basierten Atominterferometers als Quantensensor dar. (iii) Grundlegende Experimente zum Space Atom Laser, insbesondere die Untersuchung von Auskopplungen aus der magnetischen Falle mittels 2-Photonen Übergängen, getrieben von Mikrowellen und Radiofrequenzen. (iv): Simulationen des CAL-Instruments, insbesondere des Atomchips und der optischen Streuung des Interferometrie-Lasers am Atomchip zur Optimierung der experimentellen Performance in Hinblick auf die Atomzahl im BEC und den Kontrast in Interferometrie-Experimenten. Auf dieser Basis hat das JPL Änderungen am Design des neuen Wissenschaftsmoduls SM3X vorgenommen.